Le mystère des liquides surfondus, qui conservent un état fluide même lorsque leur température descend en dessous du point de congélation, a longtemps posé un défi aux physiciens. Désormais, une équipe de chercheurs de l’Université TU/e a fait une percée significative dans la compréhension de ce phénomène.
Cette innovation, qui pourrait avoir un impact sur diverses industries, repose sur une description plus réaliste des propriétés de ces liquides, utilisant pour la première fois des fonctions de corrélation à quatre corps. L’explication de cette recherche novatrice est publiée dans le journal PNAS Nexus.
Comprendre les liquides surfondus
À l’opposé des liquides ordinaires qui, lorsqu’ils sont refroidis à leur point de congélation, cristallisent ou deviennent solides, les liquides surfondus maintiennent leur état fluide. Les molécules de ces liquides ne se disposent pas dans un ordre parfait comme elles le feraient dans un cristal, et ce, malgré des températures inférieures au point de congélation.
Cette capacité des liquides surfondus à éviter la cristallisation est dû à une compression ou un refroidissement rapide. Ces liquides présentent des propriétés uniques, exploitables pour diverses applications industrielles, notamment dans la production de plastiques durables ou de matériaux optiques de haute technologie.
Des corrélations multi-moléculaires
Pour mieux comprendre les propriétés de ces liquides super-refroidis, il est essentiel d’analyser comment leurs molécules interagissent entre elles. L’étude conventionnelle des liquides s’appuie sur une corrélation structurelle à deux molécules, analysant comment deux molécules se comportent l’une par rapport à l’autre. Cependant, cette approche n’est pas suffisante pour comprendre la complexité des liquides surfondus.
C’est ainsi que les chercheurs de TU/e ont décidé d’aller au-delà, en prenant en compte les corrélation à quatre corps. Ce pas en avant méthodologique, par rapport aux études précédentes limitées aux corrélations à deux ou trois molécules, a permis de mettre en évidence des structures préférentielles locales inédites.
Le défi de la modélisation
L’introduction de corrélations à quatre corps dans les calculs a présenté plusieurs défis, notamment une complexité mathématique accrue. Les chercheurs ont dû gérer des dizaines à des centaines de termes dans les équations, rendant la vérification de la justesse des calculs particulièrement complexe.
De plus, pour mesurer les fonctions de corrélation à quatre corps, les chercheurs ont dû disposer d’un volume important de données, traitées grâce à des programmes informatiques avancés fonctionnant sur des grappes de haute performance.
Implications et perspectives
Cette avancée majeure, fruit de plus de vingt ans d’expérience des chercheurs dans l’exploration des corrélations entre les molécules des liquides, pourrait ouvrir la voie à de nouvelles applications dans l’ingénierie des matériaux, les processus de fabrication, l’ingénierie chimique et la conception des systèmes de stockage d’énergie.
L’amélioration de la performance, de l’efficacité et de la durabilité des nouveaux matériaux repose en grande partie sur la compréhension des aspects fondamentaux de ces systèmes. Cette recherche est donc un pas important dans la bonne direction.
En synthèse
Le travail réalisé par l’équipe de TU/e offre une compréhension sans précédent des liquides surfondus. Les chercheurs sont parvenus à modéliser ces liquides en intégrant des fonctions de corrélation à quatre corps, une première dans le domaine. Malgré les défis mathématiques et computationnels, cette avancée pourrait avoir des retombées significatives dans de nombreux domaines industriels.
Informations sur l’article : Emergent structural correlations in dense liquids, Ilian Pihlajamaa, Corentin Laudicina, Chengjie Luo, and Liesbeth Janssen, (2023), PNAS Nexus.
