Explorer la fusion en surface du verre colloïdal

En 1842, le célèbre chercheur britannique Michael Faraday fait une observation étonnante par hasard : une fine couche d’eau se forme à la surface de la glace, même si elle est bien en dessous de zéro degré. La température est inférieure au point de fusion de la glace, mais la surface de la glace a fondu. Cette couche liquide sur les cristaux de glace est aussi la raison pour laquelle les boules de neige se collent les unes aux autres.

Ce n’est que 140 ans plus tard environ, en 1985, que cette “fusion de surface” a pu être confirmée scientifiquement dans des conditions de laboratoire contrôlées. À ce jour, la fusion de surface a été démontrée dans une variété de matériaux cristallins et est scientifiquement bien comprise : plusieurs degrés en dessous du point de fusion réel, une couche liquide de seulement quelques nanomètres d’épaisseur se forme à la surface du matériau autrement solide.

Étant donné que les propriétés de surface des matériaux jouent un rôle crucial dans leur utilisation comme catalyseurs, capteurs, électrodes de batterie, etc., la fusion de surface n’est pas seulement d’une importance fondamentale, mais également en vue d’applications techniques.

Il faut souligner que ce processus n’a absolument rien à voir avec l’effet, par exemple, de sortir un glaçon du congélateur et de l’exposer à température ambiante. La raison pour laquelle un glaçon fond d’abord sur sa surface dans de telles conditions est que la surface est nettement plus chaude que la glaçonl’intérieur.

Fusion de surface détectée dans le verre

Dans les cristaux avec des atomes disposés périodiquement, la fine couche de liquide à la surface est généralement détectée par des expériences de diffusion, qui sont très sensibles à la présence d’un ordre atomique. Étant donné que les liquides ne sont pas disposés selon un motif régulier, de telles techniques peuvent donc clairement résoudre l’apparition d’un mince film liquide au-dessus du solide.

Cette approche, cependant, ne fonctionne pas pour les verres (c’est-à-dire les matériaux amorphes désordonnés) car il n’y a pas de différence dans l’ordre atomique entre le solide et le liquide. Par conséquent, la fusion superficielle des verres est restée assez inexplorée par les expériences.

Pour surmonter les difficultés susmentionnées, Clemens Bechinger, professeur de physique à l’Université de Constance, et son collègue Li Tian ont utilisé une astuce : au lieu d’étudier un verre atomique, ils ont produit un matériau désordonné composé de sphères de verre microscopiques appelées colloïdes. Contrairement aux atomes, ces particules sont environ 10 000 fois plus grandes et peuvent être observées directement au microscope.

Les chercheurs ont pu démontrer le processus de fusion de surface dans un tel colloïde verre parce que les particules près de la surface se déplacent beaucoup plus rapidement par rapport au solide en dessous. A première vue, un tel comportement n’est pas tout à fait inattendu, puisque la densité de particules à la surface est plus faible que dans le sous-jacent. un matériau en vrac. Par conséquent, les particules proches de la surface ont plus d’espace pour se déplacer les unes par rapport aux autres, ce qui les rend plus rapides.

Une découverte surprenante

Ce qui a surpris Clemens Bechinger et Li Tian, ​​cependant, c’est le fait que même loin sous la surface, là où la densité des particules a atteint la valeur en vrac, la mobilité des particules est encore nettement supérieure à celle du matériau en vrac.

Les images au microscope montrent que cette couche jusqu’alors inconnue a jusqu’à 30 diamètres de particules d’épaisseur et continue à partir du surface dans les régions plus profondes du solide dans un motif en forme de strie. “Cette couche qui pénètre profondément dans le matériau a des propriétés matérielles intéressantes car elle combine des caractéristiques liquides et solides”, explique Bechinger.

Par conséquent, les propriétés des films minces désordonnés dépendent beaucoup de leur épaisseur. En fait, cette propriété est déjà exploitée dans leur utilisation en tant que conducteurs ioniques minces dans les batteries, qui s’avèrent avoir une conductivité ionique significativement plus élevée par rapport aux couches épaisses. Cependant, avec les nouvelles connaissances acquises grâce aux expériences, ce comportement peut maintenant être compris quantitativement et ainsi être optimisé pour les applications techniques.

La recherche a été publiée dans Communication Nature.