Synkrotronröntgen Diffraktionsbild (vänster) och ab initio molekylär dynamiksimulering ögonblicksbild (höger) av flytande gallium vid högt tryck. Kredit:University of Bristol
Flytande metaller och legeringar har exceptionella egenskaper som gör dem lämpliga för lagring och generering av elektrisk energi.
Galliumbaserade flytande metaller med låg smältpunkt används som värmeväxlarvätskor för kylning av integrerad elektronik och vid tillverkning av flexibla och omkonfigurerbara elektroniska enheter och mjuk robotik.
Gallium är en gåtfull metall med anmärkningsvärda fysikaliska egenskaper inklusive en onormalt låg smältpunkt strax över rumstemperatur, en av de största vätskeområdena av något element, och en volymkontraktion vid smältning liknande den som observeras för vatten.
I motsats till de regelbundna periodiska arrangemangen av atomer i kristallina fasta ämnen, det flytande tillståndet är karakteristiskt oordnat. Vätskor kan flöda och deras atomer rör sig kaotiskt som i en gas.
Dock, till skillnad från en gas, de starka kohesiva krafterna i vätskor ger en viss grad av ordning på lokal skala. Att förstå hur denna ordning förändras vid höga tryck och temperaturer är viktigt för utvecklingen av material med nya fysikaliska egenskaper eller för att fungera under extrema förhållanden och är nyckeln till att förstå processer i djupa terrestra och exoplanetära interiörer, såsom bildning av metallisk kärna och generering av magnetfält.
Simuleringsögonblicksbild av flytande gallium vid 30 GPa och 1000 K med galliumatomer visade som små gråa sfärer. Regioner med exceptionellt låg konfigurationsentropi befolkade uteslutande av kluster av Ga-atomer i femfaldigt symmetriskt (10B, orange sfärer) och kristallliknande (11F, blå sfärer) motiv kan hjälpa till att stabilisera den glasartade fasen under högtryckssmältpunkten. Färgade bindningar framhäver ringar i de två strukturella motiven:femhörningar för 10B, trianglar och kvadrater för 11F. Kredit:University of Bristol
I en ny studie ledd av forskare från University of Bristol, och publiceras i tidskriften Fysiska granskningsbrev , in situ synkrotronröntgendiffraktionsmätningar gjorda vid Diamond Light Source, Storbritannien om smältkurvan, densitet, och strukturen hos flytande gallium rapporteras till tryck upp till 26 GPa med användning av en resistivt uppvärmd diamantstädcell för att generera dessa extrema förhållanden.
Resultaten av ab initio Molecular Dynamics-simuleringar, körs på University of Bristols Advanced Computing Research Centres superdator "BlueCrystal phase 4", överensstämmer utmärkt med de experimentella mätningarna.
Tidigare studier förutspår att vätskestrukturerna hos gallium och andra metaller utvecklas från komplexa konfigurationer med låga koordinationstal vid omgivningstryck till enkla "hårda sfärer"-arrangemang vid högt tryck.
Dock, med hjälp av topologisk klusteranalys fann forskarna betydande avvikelser från denna enkla modell:även vid extrema tryck upprätthålls lokal ordning i flytande gallium, med bildandet av regioner med låg lokal entropi innehållande strukturella motiv med femfaldig symmetri och kristallliknande ordning.
Huvudförfattare Dr James Drewitt från University of Bristols School of Earth Sciences, sa:"Denna slående oväntade uppkomsten av motiv med låg konfiguration entropi i flytande gallium vid högt tryck ger potentiellt en mekanism för att främja metastabila glasfaser under smältkurvan.
"Detta öppnar upp en ny forskningsväg för framtida experimentella och teoretiska studier för att utforska snabba temperaturkylda smältor vid högt tryck som leder till produktion av nya metalliska glasmaterial."
