Des matériaux bidimensionnels ultraminces observés pour la première fois dans un état intermédiaire entre le solide et le liquide
Nouvelles connaissances sur les transitions de phase au niveau atomique dans les matériaux réels
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Lorsque la glace fond en eau, cela se produit rapidement, le passage de l'état solide à l'état liquide est immédiat. Cependant, les matériaux très fins ne respectent pas ces règles. Il s'y forme un état extraordinaire entre le solide et le liquide : la phase hexatique. Des chercheuses de l'université de Vienne sont désormais parvenues à observer directement cette phase exotique dans un cristal d'une épaisseur atomique. Grâce à une microscopie électronique de pointe et à des réseaux neuronaux, elles ont filmé un cristal d'iodure d'argent protégé par du graphène en train de fondre. Des matériaux ultraminces et bidimensionnels ont permis aux chercheuses d'observer directement les processus de fusion au niveau atomique. Les nouvelles découvertes contribuent considérablement à notre compréhension de ces transitions de phase. De manière surprenante, les observations contredisent des prédictions antérieures - un résultat qui vient d'être publié dans Science.
Lorsque la glace fond, tout va très vite : dès que la température de fusion est atteinte, la structure solide et ordonnée de la glace se transforme brusquement en eau liquide et désordonnée. Une transition aussi brutale est typique du comportement de fusion de tous les matériaux tridimensionnels, des métaux aux minéraux en passant par les boissons congelées.
Cependant, lorsqu'un matériau devient si mince qu'il est pratiquement bidimensionnel, les règles de la fusion changent radicalement. Une nouvelle phase intermédiaire exotique de la matière, appelée "phase hexatique", peut apparaître entre la phase solide et la phase liquide. Cette phase hexatique, prédite pour la première fois dans les années 1970, est un état hybride étrange. La matière se comporte comme un liquide, dans lequel les distances entre les particules sont irrégulières, mais aussi, dans une certaine mesure, comme un solide, car les angles entre les particules restent relativement bien ordonnés.
Comme cette phase n'a été observée jusqu'à présent que dans des systèmes modèles beaucoup plus grands, tels que des sphères de polystyrène densément tassées, la question de savoir si elle pouvait également se produire dans des matériaux quotidiens liés de manière covalente restait ouverte jusqu'à présent. C'est précisément ce que l'équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Vienne a réussi à démontrer : les scientifiques ont pu observer pour la première fois ce processus dans des cristaux d'iodure d'argent (AgI) d'une épaisseur d'un atome, résolvant ainsi une énigme vieille de plusieurs décennies. Leurs résultats confirment non seulement l'existence de cet état insaisissable dans les matériaux fortement liés, mais fournissent également de nouvelles informations surprenantes sur la nature de la fusion en deux dimensions.
Des "sandwichs de graphène" rendent possible la nouvelle observation
Pour réaliser cette percée, les chercheuses ont mis au point une méthode raffinée pour étudier le processus de fusion de cristaux fragiles et de faible épaisseur atomique. Elles ont inséré une seule couche d'un cristal d'iodure d'argent entre deux couches de graphène. Ce "sandwich" protecteur a empêché le cristal fragile de se replier sur lui-même pendant le processus de fusion. Dans un microscope électronique à transmission à balayage (STEM) ultramoderne, l'équipe a progressivement chauffé l'échantillon à plus de 1 100 °C et a filmé le processus de fusion en temps réel au niveau atomique.
"Sans l'utilisation d'outils d'intelligence artificielle comme les réseaux neuronaux, il aurait été impossible de suivre tous ces atomes individuels", explique Kimmo Mustonen de l'université de Vienne, auteur principal de l'étude. L'équipe a entraîné le réseau avec d'énormes quantités de jeux de données simulés avant de traiter les milliers d'images haute résolution générées par l'expérience.
Leur analyse a donné un résultat remarquable : dans une fenêtre de température étroite - environ 25 °C en dessous du point de fusion de l'AgI - une phase hexatique distincte est apparue. Des mesures complémentaires de diffraction des électrons ont confirmé cette constatation et ont fourni de fortes indications sur l'existence de cet état intermédiaire dans des matériaux fortement liés et de faible épaisseur atomique.
Un nouveau chapitre dans la physique de la fusion
L'étude a également révélé une tournure inattendue. Selon les théories précédentes, les transitions de solide à hexatique et d'hexatique à liquide devaient respectivement se produire de manière continue. Or, les chercheuses ont observé que si la transition de solide à hexatique était effectivement continue, la transition d'hexatique à liquide était abrupte, comme lors de la fonte de la glace en eau. "Cela indique que la fusion dans des cristaux bidimensionnels covalents est bien plus complexe que ce que l'on pensait jusqu'à présent", explique David Lamprecht de l'Université de Vienne et de l'Université technique (TU) de Vienne, l'un des principaux auteurs de l'étude avec Thuy An Bui, également de l'Université de Vienne.
Cette découverte ne remet pas seulement en question des prédictions théoriques de longue date, mais ouvre également de nouvelles perspectives dans la recherche sur les matériaux à l'échelle atomique. "Kimmo et ses collègues ont une nouvelle fois montré à quel point la microscopie à résolution atomique peut être performante", explique Jani Kotakoski, responsable du groupe de recherche à l'université de Vienne.
Les résultats de l'étude ne font pas qu'approfondir notre compréhension de la fusion en deux dimensions, ils soulignent également le potentiel de la microscopie avancée et de l'IA pour explorer les limites de la science des matériaux.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Allemand peut être trouvé ici.
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