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L'énigme de la surfusion en passe d'être résolue ?

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Bien que découvert par Fahrenheit en 1724, le phénomène de surfusion, illustré par de l'eau qui reste liquide au-dessous de 0°C, n'est pas très bien compris. Des chercheurs du CEA, CNRS et de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) viennent de montrer que le phénomène est bien relié à l'impossibilité de paver l'espace périodiquement avec un type de solide régulier...

Une gouttelette d'un alliage liquide de silicium et d'or sur un substrat de silicium reste liquide même à une température de 300°C inférieure à celle de solidification de l'alliage en raison de la présence à sa surface d'agrégats pentagonaux d'atomes. Crédit : M. Collignon-ESRF

La découverte que vient de faire un groupe de chercheurs utilisant les faisceaux de rayons X fournis par l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF) est fortuite. Ils étaient occupés à comprendre les processus de croissance de nanofils semi-conducteurs, prometteurs pour la nano-électronique, lorsqu'ils se sont rendu compte qu'un alliage d'or et de silicium utilisé pour les expériences ne cristallisait pas à la température attendue, mais en dessous.

Le phénomène leur a rappelé celui de la surfusion qui se produit lorsqu'un liquide suffisamment pur est refroidi rapidement en dessous de son point de congélation. L'absence de germe de nucléation rend alors malaisé la formation de glace mais comme on peut en faire l'expérience avec une bouteille d'eau refroidie au congélateur, le moindre choc ou le contact avec de la glace provoque la transition de phase conduisant à la solidification du liquide.

Le même phénomène oblige les avions volant à haute altitude à posséder un système de dégivrage. En effet, les gouttes d'eau très pure des nuages dont la température est négative se transforment brutalement en cristaux de glace au contact des parois de l'avion. Le phénomène est particulièrement dangereux car même une mince couche de glace sur des ailes modifie les caractéristiques de l'écoulement de l'air et diminue leur portance. Un décrochage peut donc survenir. De plus, les verrières peuvent aussi se couvrir de givre.

Comme les solides platoniciens du verre

Intéressés par la possibilité de produire des structures semi-conductrices à des températures de croissance faibles, les chercheurs ont donc entrepris de mieux comprendre le phénomène. Pour cela, ils ont testé la théorie voulant que tout comme le verre reste liquide du fait de l'apparition d'assemblages d'atomes formant des solides platoniciens, il devait se former dans un liquide en surfusion de telles structures.

On sait en effet que dans le plan et dans l'espace, il est impossible de former des pavages réguliers avec des structures possédant une symétrie d'ordre 5, c'est-à-dire des pentagones dans le plan et des icosaédres dans l'espace (notons tout de même que des pavages quasi-périodiques, comme les célèbres pavages de Penrose sont possibles dans le plan). Un cristal ne peut donc pas exister si des agrégats d'atomes avec des structures de ce type apparaissent dans le liquide.

La présence de ces structures pouvait être mise en évidence à l'aide des rayons X produits à l'ESRF et c'est bien ce que les chercheurs ont fait comme ils l'expliquent dans un article de Nature. L'hypothèse que dans d'autres liquides en état de surfusion, le même mécanisme d'obstruction à la formation d'un réseau cristallin est à l'oeuvre en sort donc renforcée.

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