Polyamorphisme

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En science des matériaux, le polyamorphisme est la possibilité pour une substance d'exister sous différentes formes amorphes. C'est l'analogue du polymorphisme des matériaux cristallins.

Bien que l'arrangement atomique d'un matériau amorphe ne possède pas d'ordre à grande distance certaines propriétés de différents polyamorphes, telles que la densité, peuvent être différentes. En fait, de nombreuses substances amorphes peuvent exister avec des caractéristiques différentes (par exemple des polymères), mais on ne parle de polyamorphisme que quand il existe deux états amorphes distincts avec une transition de phase claire et discontinue (du premier ordre) entre eux[a]. Lorsqu'il s'agit de deux liquides stables, on parle de transition de phase liquide-liquide[1].

Polyamorphisme solide-solide[modifier | modifier le code]

Exemples :

  • polyamorphisme de la glace amorphe, du silicium ou du germanium amorphes ;
  • le verre de silice, lorsqu'on le soumet à une pression hydrostatique d'environ 8 GPa, subit une transition irréversible vers un état plus densifié. Une fois revenu à pression ambiante, on obtient de la silice compactée (ce fait est connu depuis les années 50 et les travaux de Bridgman). Une recuisson dans l'intervalle de transformation (environ 1 400 K) permet de retourner au matériau initial.

Polyamorphisme liquide-liquide[modifier | modifier le code]

Des transitions de phase liquide-liquide ont été prédites, par des calculs de dynamique moléculaire, pour de nombreuses substances dont l'eau[2],[3], le silicium[4], le dioxyde de carbone[5], le carbone[6], l'hydrogène[7] et l'azote[8]. Dans certains cas, les calculs prédisent que la courbe d'équilibre liquide-liquide (dans le diagramme P-T) se termine en un point critique, comme pour l'équilibre liquide-vapeur. Dans le cas de l'eau, la proximité de ce point critique a été invoquée à plusieurs reprises pour expliquer certaines anomalies thermodynamiques[2].

Expérimentalement, des transitions liquide-liquide ont essentiellement été observées dans des liquides surfondus — donc métastables — (mélanges Y2O3–Al2O3[9], eau[10],[11] et quelques autres liquides moléculaires[12],[13],[14]), mais aussi dans quelques liquides stables (phosphore[15], soufre[16]). Le seul point critique liquide-liquide réellement mis en évidence est celui du soufre, en 2020[16].

Notes et références[modifier | modifier le code]

Notes[modifier | modifier le code]

  1. L'existence d'une phase gazeuse et d'une phase liquide, omniprésente, n'est pas qualifiée de polyamorphisme. Les transitions amorphe-amorphe du premier ordre sont néanmoins analogues à la transition liquide-gaz, et présentent notamment, le plus souvent, un point critique.

Références[modifier | modifier le code]

  1. (en) B. C. Hancock, E. Y. Shalaev et S. L. Shamblin, « Polyamorphism: a pharmaceutical science perspective », The Journal of Pharmacy and Pharmacology (en), vol. 54, no 8,‎ , p. 1151-1152 (PMID 12195833, DOI 10.1211/002235702320266343).
  2. a et b (en) Peter H. Poole, Francisco Sciortino, Ulrich Essmann et H. Eugene Stanley, « Phase behaviour of metastable water », Nature, vol. 360,‎ , p. 324-328 (DOI 10.1038/360324a0).
  3. (en) Stephen Harrington, Rong Zhang et Peter H. Poole, « Liquid–liquid phase transition: evidence from simulations », Physical Review Letters, vol. 78,‎ , p. 2409-2412 (DOI 10.1103/PhysRevLett.78.2409).
  4. (en) Srikanth Sastry et C. Austen Angell, « Liquid–liquid phase transition in supercooled silicon », Nature Materials, vol. 2,‎ , p. 739-743 (DOI 10.1038/nmat994).
  5. (en) Brian Boates, Amanuel M. Teweldeberhan et Stanimir A. Bonev, « Stability of dense liquid carbon dioxide », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 109, no 37,‎ , p. 14808-14812 (DOI 10.1073/pnas.1120243109).
  6. (en) James N. Glosli et Francis H. Ree, « Liquid–liquid phase transformation in carbon », Physical Review Letters, vol. 82,‎ , p. 4659-4662 (DOI 10.1103/PhysRevLett.82.4659).
  7. (en) Miguel A. Morales, Carlo Pierleoni, Eric Schwegler et D. M. Ceperley, « Evidence for a first-order liquid–liquid transition in high-pressure hydrogen from ab initio simulations », Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 107, no 29,‎ , p. 12799-12803 (DOI 10.1073/pnas.1007309107).
  8. (en) Brian Boates et Stanimir A. Bonev, « First-order liquid–liquid phase transition in compressed nitrogen », Physical Review Letters, vol. 102,‎ , article no 015701 (DOI 10.1103/PhysRevLett.102.015701).
  9. (en) S. Aasland et P. F. McMillan, « Density-driven liquid–liquid phase separation in the system Y2O3–Al2O3 », Nature, vol. 369,‎ , p. 633-636 (DOI 10.1038/369633a0).
  10. (en) Osamu Mishima et H. Eugene Stanley, « The relationship between liquid, supercooled and glassy water », Nature, vol. 396,‎ , p. 329-335 (DOI 10.1038/24540).
  11. (en) Kyung Hwan Kim, Katrin Amann-Winkel, Nicolas Giovambattista, Alexander Späh, Fivos Perakis et al., « Experimental observation of the liquid-liquid transition in bulk supercooled water under pressure », Science, vol. 370, no 6519,‎ , p. 978-982 (DOI 10.1126/science.abb9385).
  12. (en) Sander Woutersen, Bernd Ensing, Michiel Hilbers, Zuofeng Zhao et C. Austen Angell, « A liquid–liquid transition in supercooled aqueous solution related to the HDA-LDA transition », Science, vol. 359,‎ , p. 1127-1131 (DOI 10.1126/science.aao7049).
  13. (en) Hajime Tanaka, Rei Hurita et Hiroshi Mataki, « Liquid–liquid transition in the molecular liquid triphenyl phosphite », Physical Review Letters, vol. 92,‎ , p. 025701-025704 (DOI 10.1103/PhysRevLett.92.025701).
  14. (en) Rei Kurita et Hajime Tanaka, « On the abundance and general nature of the liquid–liquid phase transition in molecular systems », Journal of Physics: Condensed Matter (en), vol. 17, no 27,‎ , p. 293-302 (DOI 10.1088/0953-8984/17/27/L01).
  15. (en) Yoshinori Katayama, Takeshi Mizutani, Wataru Utsumi, Osamu Shimomura, Masaaki Yamakata et Ken-ichi Funakoshi, « A first-order liquid–liquid phase transition in phosphorus », Nature, vol. 403,‎ , p. 170-173 (DOI 10.1038/35003143).
  16. a et b (en) Laura Henry, Mohamed Mezouar, Gaston Garbarino, David Sifré, Gunnar Weck et Frédéric Datchi, « Liquid–liquid transition and critical point in sulfur », Nature, vol. 584,‎ , p. 382-386 (DOI 10.1038/s41586-020-2593-1).