Les physiciens américains ont acquis de nouvelles connaissances sur l’un des phénomènes de base de la physique – la fusion d’un solide. Arjun Yodh et ses collègues de l’Université de Pennsylvanie et du Swarthmore College ont montré que la fusion commence par des défauts avant de se propager à l’ensemble du cristal (Sciencexpress 11123991). Le travail aidera à combler les lacunes de notre connaissance du processus de fusion.
Il est difficile d’étudier ce qui se passe lorsqu’un solide fond parce que les atomes individuels sont trop petits pour être visibles et parce que l’action se déroule à l’intérieur du solide. Cependant, Yodh et ses collègues ont surmonté ces problèmes en utilisant de grandes sphères colloïdales sensibles à la température, qui mesurent près d’un micron de diamètre, pour représenter les atomes d’un cristal. Lorsque la densité des sphères en suspension dans une solution est suffisamment élevée, elles forment un solide cristallin serré. Cependant, lorsque la densité est réduite, ce cristal « fond ».
Yodh et ses collègues ont utilisé des sphères qui changent de taille lorsqu’elles sont chauffées, ce qui modifie à son tour le volume qu’elles occupent dans la suspension. Le chauffage des sphères les rend en fait plus petites, ce qui diminue leur volume total dans le cristal et provoque finalement la fusion du cristal. La fusion se produit lorsque les sphères occupent environ 55% du volume cristallin disponible. Lorsque les sphères sont refroidies, elles deviennent plus grandes, ce qui conduit à la cristallisation du liquide colloïdal.
« Les sphères se comportent comme d’énormes versions d’atomes pour les besoins de notre expérience », explique Ahmed Alsayed, membre de l’équipe. De plus, un microscope optique peut être utilisé pour suivre les mouvements des particules individuelles pendant le processus de fusion.
L’expérience montre que la fusion commence à des défauts — tels que des fissures, des joints de grains et des dislocations – qui sont présents dans le réseau d’atomes autrement ordonné du cristal. De plus, le suivi des particules révèle un désordre accru dans les régions cristallines qui bordent ces défauts, la quantité de désordre dépendant du type de défaut.
Selon l’équipe Pennsylvania-Swarthmore, l’existence de cette « pré-fusion » à l’intérieur du solide implique qu’une petite fraction de liquide existe dans le cristal avant que la température de fusion en vrac ne soit réellement atteinte. Cela suggère que les solides qui contiennent beaucoup de défauts pourraient fondre plus facilement.
« Nos résultats améliorent notre compréhension de la fusion et permettent des prédictions plus quantitatives de la façon dont une substance pourrait fondre », a déclaré Yodh à PhysicsWeb. « Le nouveau système de particules que nous avons développé pourrait également être utilisé pour étudier l’évolution des défauts et des régions prémoulées sous contrainte mécanique, ainsi que pour l’observation contrôlée de la trempe, du recuit, de la cristallisation et de la température de transition vitreuse dans les solides. »