Les promesses industrielles de la surfusion

Des scientifiques du CEA, du CNRS et de l’ESRF ont apporté des éléments clés pour expliquer le phénomène de surfusion, cet état de la matière où un liquide ne gèle pas alors même qu'il est à une température inférieure à son point de cristallisation. Une découverte qui ouvre la voie à de nouvelles applications industrielles.

La surfusion est un état de la matière qui ne peut se produire qu’avec un liquide très pur et ne contenant pas de germes cristallins. La pureté extrême du liquide ne permet pas à la cristallisation de prendre, autrement dit au liquide de geler, alors que la température est inférieure à son point de congélation. Les nuages de haute altitude sont un bon exemple de ce phénomène : ils sont constitués de minuscules gouttelettes d’eau qui, en raison de la pureté de l’air, ne forment pas de glace malgré de très basses températures. L’arrangement des atomes, très chaotique, et l’absence de germe cristallin pour déclencher le processus de cristallisation sont à l’origine du phénomène. Qu’un avion traverse le nuage et les gouttelettes d’eau vont s’accrocher à sa structure, qui possède des impuretés, déclencher très rapidement le processus de cristallisation et former de la glace. C’est pour cette raison que certains avions sont équipés de systèmes de dégivrage.

A l’origine, une structure pentagonale

Si la surfusion a été découverte dès 1724 par Fahrenheit, de nombreuses questions sur son mécanisme restent encore aujourd’hui sans réponse. Actuellement, les théoriciens postulent que la structure interne des liquides pourrait être incompatible avec la cristallisation. Des modèles théoriques suggèrent que les atomes dans les liquides s’organisent en pentagones. Or, pour former un cristal, il faut une structure qui puisse être répétée périodiquement, de façon à remplir tout l’espace, ce que la forme pentagonale ne permet pas. Couvrir sans interruption un plancher avec des pavés pentagonaux est impossible alors que cela l’est avec des pavés triangulaires, rectangulaires ou hexagonaux. Pour que la cristallisation puisse avoir lieu, la structure pentagonale doit être cassée afin que les atomes se réarrangent.

Jusqu’à aujourd’hui, la preuve expérimentale que ces structures pentagonales pouvaient être la cause de la surfusion n’avait pas été apportée. En étudiant par rayonnement synchrotron un alliage de silicium et d’or à l’état liquide, les chercheurs ont pu prouver que l’ordre pentagonal était à l’origine de la surfusion. » Nous avons étudié ce qui se passe dans un liquide en contact avec une surface sur laquelle une structure de symétrie 5 peut être réalisée (une surface de silicium 111 avec un revêtement spécial), explique Tobias Schülli, premier auteur de l’article paru dans la revue Nature du 22 avril 2010. Nos expériences montrent qu’une surfusion très importante, inobservée dans ces alliages jusqu’à aujourd’hui, se produit sur une telle surface. Nous avons fait la même expérience avec des surfaces de silicium présentant une symétrie 3 ou 4 et dans ces cas, la cristallisation a eu lieu à des températures bien plus élevées. »

De nouvelles applications industrielles

C’est au cours de travaux sur la croissance de nanofils de semi-conducteurs que les chercheurs ont découvert cette propriété des liquides qui favorise la surfusion. En observant le premier stade de croissance de nanofils, ils ont pu constater que l’alliage métal/semi-conducteur utilisé restait liquide à une température bien inférieure à son point de cristallisation, et ont décidé d’explorer le phénomène. Ces alliages liquides attirent beaucoup l’attention car ils permettent la croissance de structures semi-conductrices à des températures de croissance faibles.

Les nanofils de semi-conducteurs sont des candidats prometteurs pour de futurs dispositifs. A titre d’exemple, les chercheurs travaillent sur l’intégration de nanofils de silicium en nanoélectronique ou dans les cellules solaires photovoltaïques, ce qui permettrait d’augmenter le rendement de ces dernières. La surfusion pourrait aussi avoir des applications métallurgiques. Elle permettrait de mettre au point certains alliages à plus basse température.