Ordning af atomer i flydende gallium under tryk

Flydende metaller og legeringer har exceptionelle egenskaber, der gør dem velegnede til lagring og generering af elektrisk energi.

Galliumbaserede flydende metaller med lavt smeltepunkt bruges som varmevekslervæsker til afkøling af integreret elektronik og til fremstilling af fleksible og rekonfigurerbare elektroniske enheder og blød robotteknologi.

Gallium er et gådefuldt metal med bemærkelsesværdige fysiske egenskaber, herunder et unormalt lavt smeltepunkt lige over stuetemperatur, en af ​​de største væskeområder af ethvert grundstof, og en volumensammentrækning ved smeltning svarende til den observerede for vand.

I modsætning til de regelmæssige periodiske arrangementer af atomer i krystallinske faste stoffer, den flydende tilstand er karakteristisk forstyrret. Væsker kan strømme, og deres atomer bevæger sig kaotisk som i en gas.

Imidlertid, i modsætning til en gas, de stærke sammenhængskræfter i væsker producerer en grad af orden på lokal skala. At forstå, hvordan denne rækkefølge ændrer sig ved høje tryk og temperaturer, er vigtig for udviklingen af ​​materialer med nye fysiske egenskaber eller for drift under ekstreme forhold og er nøglen til at forstå processer i dybe terrestriske og exoplanetariske indre, såsom metallisk kernedannelse og magnetisk feltgenerering.

I en ny undersøgelse ledet af forskere fra University of Bristol, og publiceret i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , in situ synkrotron røntgendiffraktionsmålinger foretaget ved Diamond Light Source, UK af smeltekurven, massefylde, og strukturen af ​​flydende gallium rapporteres til tryk op til 26 GPa ved hjælp af en modstandsdygtigt opvarmet diamantamboltcelle til at generere disse ekstreme forhold.

Resultaterne af ab initio Molecular Dynamics simuleringer, køre på University of Bristols Advanced Computing Research Centres supercomputer "BlueCrystal phase 4", er i udmærket overensstemmelse med de eksperimentelle målinger.

Tidligere undersøgelser forudsiger, at de flydende strukturer af gallium og andre metaller udvikler sig fra komplekse konfigurationer med lave koordinationstal ved omgivelsestryk til simple 'hard-sfære' arrangementer ved højt tryk.

Imidlertid, ved hjælp af topologisk klyngeanalyse fandt forskerne betydelige afvigelser fra denne simple model:selv ved ekstreme tryk opretholdes lokal orden i flydende gallium, med dannelsen af ​​områder med lav lokal entropi indeholdende strukturelle motiver med femdobbelt symmetri og krystallignende orden.

Hovedforfatter Dr. James Drewitt fra University of Bristol's School of Earth Sciences, sagde:"Denne slående uventede fremkomst af lavkonfigurationsentropimotiver i flydende gallium ved højt tryk giver potentielt en mekanisme til fremme af metastabile glasfaser under smeltekurven.

"Dette åbner en ny forskningsvej for fremtidige eksperimentelle og teoretiske undersøgelser for at udforske hurtige temperaturkølede smelter ved højt tryk, hvilket fører til produktion af nye metalliske glasmaterialer."