Immagine di diffrazione dei raggi X di sincrotrone (a sinistra) e snapshot di simulazione ab initio della dinamica molecolare (a destra) del gallio liquido ad alta pressione. Credito:Università di Bristol
I metalli liquidi e le leghe hanno proprietà eccezionali che li rendono adatti per applicazioni di accumulo e generazione di energia elettrica.
I metalli liquidi a base di gallio a basso punto di fusione sono utilizzati come fluidi di scambio termico per il raffreddamento dell'elettronica integrata e nella produzione di dispositivi elettronici flessibili e riconfigurabili e robotica morbida.
Il gallio è un metallo enigmatico con notevoli caratteristiche fisiche tra cui un punto di fusione anormalmente basso appena sopra la temperatura ambiente, una delle più vaste gamme di liquidi di qualsiasi elemento, e una contrazione di volume alla fusione simile a quella osservata per l'acqua.
In contrasto con le regolari disposizioni periodiche degli atomi nei solidi cristallini, lo stato liquido è caratteristicamente disordinato. I liquidi possono fluire e i loro atomi si muovono caoticamente come in un gas.
Però, a differenza di un gas, le forti forze coesive nei liquidi producono un grado di ordine su scala locale. Comprendere come questo ordine cambia ad alte pressioni e temperature è importante per lo sviluppo di materiali con nuove proprietà fisiche o per operare in condizioni estreme ed è fondamentale per comprendere i processi negli interni profondi della Terra e degli esoplanetari, come la formazione di nuclei metallici e la generazione di campi magnetici.
Istantanea di simulazione di gallio liquido a 30 GPa e 1000 K con atomi di gallio mostrati come piccole sfere grigie. Regioni di entropia configurazionale eccezionalmente bassa popolate esclusivamente da cluster di atomi di Ga in cinque volte simmetriche (10B, sfere arancioni) e cristalline (11F, sfere blu) possono aiutare a stabilizzare la fase vetrosa al di sotto del punto di fusione ad alta pressione. I legami colorati evidenziano gli anelli nei due motivi strutturali:pentagoni per 10B, triangoli e quadrati per 11F. Credito:Università di Bristol
In un nuovo studio condotto da scienziati dell'Università di Bristol, e pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica , misure di diffrazione dei raggi X di sincrotrone in situ effettuate presso la Diamond Light Source, Regno Unito della curva di fusione, densità, e la struttura del gallio liquido sono riportati a pressioni fino a 26 GPa utilizzando una cella di incudine di diamante riscaldata resistivo per generare queste condizioni estreme.
I risultati delle simulazioni ab initio di dinamica molecolare, eseguito sul supercomputer "BlueCrystal phase 4" dell'Advanced Computing Research Centre dell'Università di Bristol, sono in ottimo accordo con le misurazioni sperimentali.
Studi precedenti prevedono che le strutture liquide del gallio e di altri metalli si sviluppino da configurazioni complesse con bassi numeri di coordinazione a pressione ambiente a semplici disposizioni a "sfera dura" ad alta pressione.
Però, utilizzando l'analisi topologica dei cluster, i ricercatori hanno riscontrato una deviazione significativa da questo semplice modello:anche a pressioni estreme viene mantenuto l'ordine locale nel gallio liquido, con la formazione di regioni di bassa entropia locale contenenti motivi strutturali con simmetria quintuplicata e ordinamento cristallino.
L'autore principale Dr. James Drewitt della School of Earth Sciences dell'Università di Bristol, ha dichiarato:"Questa emergenza sorprendentemente inaspettata di motivi di bassa entropia configurazionale nel gallio liquido ad alta pressione fornisce potenzialmente un meccanismo per la promozione di fasi vetrose metastabili al di sotto della curva di fusione.
"Questo apre una nuova strada di ricerca per futuri studi sperimentali e teorici per esplorare i fusi raffreddati a temperatura rapida ad alta pressione che portano alla produzione di nuovi materiali di vetro metallico".
