Жидкие металлы на основе галлия с низкой температурой плавления используются в качестве теплоносителей для охлаждения интегрированной электроники и в производстве гибких и реконфигурируемых электронных устройств и мягкой робототехники.
Галлий – загадочный металл с замечательными физическими характеристиками, включая аномально низкую температуру плавления чуть выше комнатной температуры, один из самых больших диапазонов жидких веществ любого элемента и сокращение объема при плавлении, подобное тому, которое наблюдается для воды.
В отличие от регулярного периодического расположения атомов в кристаллических твердых телах, жидкое состояние характерно неупорядоченно. Жидкости могут течь, и их атомы движутся хаотично, как в газе.
Однако, в отличие от газа, сильные силы сцепления в жидкостях создают определенный порядок в локальном масштабе. Понимание того, как этот порядок изменяется при высоких давлениях и температурах, важно для разработки материалов с новыми физическими свойствами или для работы в экстремальных условиях и является ключом к пониманию процессов в глубоких земных и экзопланетных недрах, таких как формирование металлического ядра и генерация магнитного поля.
В новом исследовании, проведенном учеными из Бристольского университета и опубликованном в журнале Physical Review Letters, измерения кривой плавления, плотности и структуры жидкого галлия на месте с помощью дифракции рентгеновских лучей на синхротроне, проведенные в Diamond Light Source, Великобритания. сообщили о давлении до 26 ГПа с использованием резистивно нагреваемой ячейки с алмазной наковальней для создания этих экстремальных условий.
Результаты неэмпирического моделирования молекулярной динамики, проведенного на суперкомпьютере BlueCrystal phase 4 в Центре перспективных вычислительных исследований Бристольского университета, полностью согласуются с экспериментальными измерениями.
Предыдущие исследования предсказывают, что жидкие структуры галлия и других металлов разовьются от сложных конфигураций с низкими координационными числами при атмосферном давлении до простых структур «твердых сфер» при высоком давлении.
Однако с помощью топологического кластерного анализа исследователи обнаружили значительное отклонение от этой простой модели: даже при экстремальных давлениях в жидком галлии сохраняется локальный порядок с образованием областей с низкой локальной энтропией, содержащих структурные мотивы с пятикратной симметрией и кристаллическим упорядочением.
Ведущий автор доктор Джеймс Дрюитт из Школы наук о Земле Бристольского университета сказал: «Это поразительно неожиданное появление мотивов с низкой конфигурационной энтропией в жидком галлии при высоком давлении потенциально обеспечивает механизм продвижения метастабильных фаз стекла ниже кривой плавления.
"Это открывает новое направление исследований для будущих экспериментальных и теоретических исследований для изучения быстро закаленных расплавов при высоком давлении, что приведет к производству новых материалов из металлического стекла."