Imagen de difracción de rayos X de sincrotrón (izquierda) e instantánea de simulación de dinámica molecular ab initio (derecha) de galio líquido a alta presión. Crédito:Universidad de Bristol
Los metales líquidos y las aleaciones tienen propiedades excepcionales que los hacen adecuados para aplicaciones de generación y almacenamiento de energía eléctrica.
Los metales líquidos a base de galio de bajo punto de fusión se utilizan como fluidos de intercambio de calor para enfriar la electrónica integrada y en la fabricación de dispositivos electrónicos flexibles y reconfigurables y robótica blanda.
El galio es un metal enigmático con características físicas notables que incluyen un punto de fusión anormalmente bajo justo por encima de la temperatura ambiente. uno de los rangos de líquidos más grandes de cualquier elemento, y una contracción de volumen al derretirse similar a la observada para el agua.
En contraste con las disposiciones periódicas regulares de átomos en sólidos cristalinos, el estado líquido es característicamente desordenado. Los líquidos pueden fluir y sus átomos se mueven caóticamente como en un gas.
Sin embargo, a diferencia de un gas, las fuertes fuerzas cohesivas en los líquidos producen un grado de orden a escala local. Comprender cómo cambia este orden a altas presiones y temperaturas es importante para el desarrollo de materiales con propiedades físicas novedosas o para operar en condiciones extremas y es clave para comprender los procesos en interiores profundos terrestres y exoplanetarios. como la formación de núcleos metálicos y la generación de campos magnéticos.
Instantánea de simulación de galio líquido a 30 GPa y 1000 K con átomos de galio mostrados como pequeñas esferas grises. Regiones de entropía configuracional excepcionalmente baja pobladas exclusivamente por grupos de átomos de Ga en cinco veces simétricas (10B, esferas naranjas) y cristalinas (11F, esferas azules) pueden ayudar a estabilizar la fase vítrea por debajo del punto de fusión a alta presión. Los enlaces de colores resaltan los anillos en los dos motivos estructurales:pentágonos para 10B, triángulos y cuadrados para 11F. Crédito:Universidad de Bristol
En un nuevo estudio dirigido por científicos de la Universidad de Bristol, y publicado en la revista Cartas de revisión física , Mediciones de difracción de rayos X de sincrotrón in situ realizadas en Diamond Light Source, Reino Unido de la curva de fusión, densidad, y la estructura del galio líquido se reportan a presiones de hasta 26 GPa usando una celda de yunque de diamante calentada resistivamente para generar estas condiciones extremas.
Los resultados de las simulaciones de dinámica molecular ab initio, se ejecuta en la supercomputadora "BlueCrystal fase 4" del Centro de Investigación en Computación Avanzada de la Universidad de Bristol, están en excelente acuerdo con las mediciones experimentales.
Estudios previos predicen que las estructuras líquidas del galio y otros metales se desarrollan desde configuraciones complejas con números de coordinación bajos a presión ambiental hasta arreglos simples de 'esfera dura' a alta presión.
Sin embargo, utilizando el análisis de conglomerados topológicos, los investigadores encontraron una desviación significativa de este modelo simple:incluso a presiones extremas se mantiene el orden local en el galio líquido, con la formación de regiones de baja entropía local que contienen motivos estructurales con simetría quíntuple y ordenamiento cristalino.
El autor principal, el Dr. James Drewitt de la Facultad de Ciencias de la Tierra de la Universidad de Bristol, dijo:"Esta aparición sorprendentemente inesperada de motivos de entropía de configuración baja en galio líquido a alta presión proporciona potencialmente un mecanismo para la promoción de fases de vidrio metaestable por debajo de la curva de fusión.
"Esto abre una nueva vía de investigación para futuros estudios experimentales y teóricos para explorar fundidos templados a alta temperatura a alta presión que conducen a la producción de nuevos materiales de vidrio metálico".
