Imagem de difração de raios-X síncrotron (esquerda) e instantâneo de simulação de dinâmica molecular ab initio (direita) de gálio líquido em alta pressão. Crédito:University of Bristol
Metais líquidos e ligas têm propriedades excepcionais que os tornam adequados para aplicações de armazenamento e geração de energia elétrica.
Metais líquidos à base de gálio de baixo ponto de fusão são usados como fluidos de troca de calor para resfriar eletrônicos integrados e na fabricação de dispositivos eletrônicos flexíveis e reconfiguráveis e robótica leve.
O gálio é um metal enigmático com características físicas notáveis, incluindo um ponto de fusão anormalmente baixo logo acima da temperatura ambiente, uma das maiores faixas de líquido de qualquer elemento, e uma contração de volume ao derreter semelhante à observada para a água.
Em contraste com os arranjos periódicos regulares de átomos em sólidos cristalinos, o estado líquido é caracteristicamente desordenado. Os líquidos podem fluir e seus átomos se movem caoticamente como em um gás.
Contudo, ao contrário de um gás, as fortes forças coesivas nos líquidos produzem certo grau de ordem em escala local. Compreender como essa ordem muda em altas pressões e temperaturas é importante para o desenvolvimento de materiais com novas propriedades físicas ou para operar sob condições extremas e é a chave para compreender os processos em interiores terrestres e exoplanetários profundos. como formação de núcleo metálico e geração de campo magnético.
Instantâneo de simulação de gálio líquido a 30 GPa e 1000 K com átomos de gálio mostrados como pequenas esferas cinza. Regiões de entropia configuracional excepcionalmente baixa povoadas exclusivamente por aglomerados de átomos de Ga em simetria quíntupla (10B, esferas laranja) e semelhantes a cristal (11F, (esferas azuis) podem ajudar a estabilizar a fase vítrea abaixo do ponto de fusão de alta pressão. Ligações coloridas destacam anéis nos dois motivos estruturais:pentágonos para 10B, triângulos e quadrados para 11F. Crédito:University of Bristol
Em um novo estudo liderado por cientistas da Universidade de Bristol, e publicado na revista Cartas de revisão física , medições de difração de raios-X síncrotron in situ feitas na Diamond Light Source, Reino Unido da curva de fusão, densidade, e a estrutura do gálio líquido é relatada a pressões de até 26 GPa usando uma célula de bigorna de diamante resistivamente aquecida para gerar essas condições extremas.
Os resultados das simulações de dinâmica molecular ab initio, executado no supercomputador "BlueCrystal fase 4" do Centro de Pesquisa em Computação Avançada da Universidade de Bristol, estão em excelente acordo com as medições experimentais.
Estudos anteriores prevêem que as estruturas líquidas do gálio e de outros metais se desenvolvem de configurações complexas com baixos números de coordenação na pressão ambiente até arranjos simples de 'esfera dura' em alta pressão.
Contudo, usando a análise de agrupamento topológico, os pesquisadores encontraram um desvio significativo deste modelo simples:mesmo em pressões extremas, a ordem local no gálio líquido é mantida, com a formação de regiões de baixa entropia local contendo motivos estruturais de simetria quíntupla e ordenação cristalina.
O autor principal, Dr. James Drewitt, da Escola de Ciências da Terra da Universidade de Bristol, disse:"Este surgimento surpreendentemente inesperado de motivos de entropia configuracional baixa no gálio líquido em alta pressão potencialmente fornece um mecanismo para a promoção de fases de vidro metaestáveis abaixo da curva de fusão.
"Isso abre um novo caminho de pesquisa para futuros estudos experimentais e teóricos para explorar derretimentos temperados por temperatura rápida em alta pressão, levando à produção de novos materiais de vidro metálico."
