Découverte d'un nouvel état hybride de la matière : un matériau peut être à la fois solide et liquide
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Solide, liquide et gazeuse - telles sont les principales formes connues de la matière. Des scientifiques de l'université d'Ulm et de l'université de Nottingham viennent de mettre en évidence un tout nouvel état d'agrégation dans lequel la matière possède à la fois des propriétés solides et liquides. Les liquides confinés par des atomes stationnaires restent ainsi liquides même bien en dessous de leur point de congélation. Cette découverte pourrait conduire à des catalyseurs plus efficaces et plus durables.
Lorsque le métal fond, les atomes qu'il contient se déplacent en fait librement, comme des individus dans une foule. Une équipe de recherche germano-britannique, avec la participation de l'université d'Ulm, a toutefois fait une découverte surprenante : Dans le métal liquide, certains atomes restent fermement en place et influencent ainsi le processus de solidification. Il en résulte que les caractéristiques des solides et des liquides se retrouvent combinées dans le même matériau. L'étude a été publiée dans la revue spécialisée ACS Nano.
"Grâce à notre microscope à basse tension SALVE unique en son genre, nous avons pu observer pour la première fois comment les gouttelettes de métal fondu se comportent au niveau atomique", explique le Dr Christopher Leist. Le premier auteur a réalisé les expériences à Ulm avec le microscope électronique SALVE. "Nous avons chauffé des nanoparticules métalliques comme le platine, l'or et le palladium, qui étaient appliquées sur un support d'une épaisseur atomique, le graphène". Lorsque les particules ont fondu, leurs atomes ont commencé à se déplacer rapidement, comme prévu. "Cependant, à notre grande surprise, nous avons constaté que certains atomes restaient comme cloués à certains endroits". La raison en est des défauts dans la structure cristalline du matériau de support, où les atomes fixés sont fortement liés au graphène.
Les chercheurs ont en outre découvert qu'il était possible de manipuler et d'augmenter de manière ciblée le nombre de ces défauts dans le matériau de support, et donc en même temps celui des atomes métalliques stationnaires, à l'aide du faisceau du microscope électronique. "Si seulement quelques atomes sont fixés, le liquide forme un cristal qui grandit peu à peu", explique la professeure senior Ute Kaiser, directrice du centre SALVE à l'université d'Ulm. "Mais s'il y a beaucoup d'atomes stationnaires, le processus de solidification est ralenti et la formation de cristaux est empêchée". Cette phase de solidification est également particulièrement importante dans les applications industrielles, car elle détermine la structure et les propriétés fonctionnelles d'un matériau.
La situation devient particulièrement passionnante lorsque les atomes fixes forment une clôture circulaire autour de la matière liquide, comme l'équipe de recherche a réussi à le faire. "Une fois que le liquide est pris dans cet 'enclos atomique', il peut rester liquide même si la température descend bien en dessous du point où le matériau se solidifie normalement", souligne le chef de l'équipe de recherche, le professeur Andrei Khlobystov de l'université de Nottingham. Dans le cas du platine, cela signifie qu'il peut encore être liquide à 350 degrés Celsius - un comportement totalement inattendu, car c'est plus de 1000 degrés plus froid que le point auquel le platine se solidifie habituellement. Le professeur Elena Besley, experte en chimie théorique à l'université de Nottingham, ajoute : "Grâce à notre approche de dynamique moléculaire, nous avons pu montrer que le liquide clôturé est effectivement stable".
Le Dr Jesum Alves Fernandes, spécialiste de la catalyse à l'université de Nottingham, y voit de grandes opportunités. En effet, le platine sur les catalyseurs au carbone est l'un des catalyseurs les plus utilisés au monde. "Si nous comprenons comment les atomes fixés s'agencent et se déplacent, nous pourrions éventuellement développer des catalyseurs qui s'auto-nettoient et restent efficaces beaucoup plus longtemps", explique Alves Fernandes.
"Notre réalisation pourrait inaugurer une nouvelle forme de matière qui combine les propriétés des solides et des liquides en un seul matériau", estime l'équipe. Les chercheurs espèrent qu'en manipulant les positions des atomes stationnaires, il sera possible à l'avenir de former des enclos plus longs et plus complexes. Les métaux rares pourraient ainsi être utilisés plus efficacement, par exemple dans la conversion et le stockage de l'énergie.
L'étude a été financée par le programme EPSRC "Metal Atoms on Surfaces and Interfaces (MASI) for Sustainable Future", qui se penche sur les défis de l'utilisation durable des éléments rares dans le futur.
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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