Le transizioni di fase ci circondano, ad esempio l'acqua liquida si trasforma in ghiaccio quando è congelata e in vapore quando è bollita. Ora, i ricercatori del Carnegie Institution for Science hanno scoperto un nuovo fenomeno della cosiddetta metastabilità in fase liquida. Un liquido metastabile non è del tutto stabile. Questo stato è comune nei liquidi super raffreddati, che sono liquidi che si raffreddano al di sotto del punto di congelamento senza trasformarsi in solidi o cristalli. Ora, gli scienziati riportano la prima prova sperimentale della creazione di un liquido metastabile direttamente con l'approccio opposto:la fusione di un cristallo solido ad alta pressione del bismuto metallico tramite un processo di decompressione al di sotto del suo punto di fusione.

I risultati, riportato il 23 gennaio 2017, problema di Comunicazioni sulla natura , potrebbe essere importante per lo sviluppo di nuovi materiali e per comprendere le dinamiche degli interni planetari, come terremoti, perché un liquido metastabile potrebbe agire da lubrificante influenzando fortemente la dinamica dell'interno della Terra.

"Le transizioni di fase si presentano in due "sapori" fondamentali, '", ha spiegato il co-autore di Carnegie Guoyin Shen, direttore del team di accesso collaborativo ad alta pressione presso l'Advanced Photon Source. "In un tipo, i legami chimici non si rompono mentre il materiale passa da una fase all'altra. Ma cambiano in orientamento e lunghezza in modo ordinato. L'altro, chiamata transizione di fase ricostruttiva, è più caotico, ma il più diffuso in natura e il focus di questo studio. In queste transizioni, parti dei legami chimici si rompono e la struttura cambia in modo significativo quando entra in una nuova fase".

La pressione può essere utilizzata per cambiare la fase di un materiale oltre al riscaldamento e al raffreddamento. Gli scienziati hanno messo una forma di bismuto cristallino in una cella a incudine di diamante che induce pressione, e sottoposto a pressioni e decompressione che vanno da 32, 000 volte la pressione atmosferica (3,2 GPa) a 12, 000 atmosfere (1,2 GPa) a una temperatura di 489 K (420° F). Solo in decompressione, verso le 23, 000 atmosfere, il bismuto si scioglie in un liquido. Poi alle 12, 000 atmosfere ricristallizza.

"La ricchezza nella struttura cristallina del bismuto è particolarmente utile per assistere ai cambiamenti nella struttura di un materiale, ", ha osservato l'autore principale Chuanlong Lin.

I ricercatori hanno ripreso i cambiamenti usando una tecnica chiamata diffrazione dei raggi X, che utilizza raggi X di energia molto più elevata di quelli che usiamo per l'imaging medico e può quindi discernere la struttura a livello atomico. Hanno condotto cinque diversi cicli di esperimenti di compressione/decompressione.

"Il bismuto ha mostrato un liquido metastabile nel processo di transizioni di fase solido-solido in decompressione a circa 23, 000 a 15, 000 atmosfere, " ha detto Lino.

Gli scienziati hanno anche scoperto che lo stato metastabile può durare per ore al di sotto del punto di fusione in condizioni statiche. interessante, il liquido metastabile prodotto dalla decompressione si è verificato in un intervallo di pressione-temperatura simile a quello in cui viene prodotto il bismuto superraffreddato.

"Poiché le transizioni di fase ricostruttive sono il tipo più fondamentale, questa ricerca fornisce un modo completamente nuovo per comprendere come cambiano i diversi materiali, "Ha detto Shen. "È possibile che altri materiali possano visualizzare un liquido metastabile simile quando subiscono transizioni ricostruttive e che questo fenomeno sia più diffuso di quanto pensassimo. I risultati porteranno senza dubbio a innumerevoli sorprese sia nella scienza dei materiali che nella scienza planetaria nei prossimi anni".