La cristallisation maintenant accessible aux simulations

Les transitions de phase, au cours desquelles la matière réorganise sa structure atomique sous une forme différente, font l’objet d’un grand nombre de recherches en Physique fondamentale, en Géologie et Planétologie ainsi que pour la synthèse de nouveaux matériaux. Dans ces domaines, les études expérimentales peuvent s’appuyer sur les simulations théoriques, qui permettent de visualiser les détails atomiques des mécanismes de transformation. Cependant, la simulation des transitions désordre-ordre telles que la formation de la glace à partir de l’eau liquide, pose un problème majeur : la nucléation, mécanisme qui forme un grain cristallin de taille croissante dans la matrice désordonnée, a typiquement une cinétique très lente qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur l’échelle de temps accessible aux méthodes numériques.
Une nouvelle méthode de simulation, développée par des chercheurs de l’équipe PHYSIX de l’IMPMC, a permis d’étudier pour la première fois plusieurs transitions dans le diagramme de phase de l’eau, à basse et haute densités (Fig. 1), non seulement entre structures cristallines différentes mais aussi entre structures désordonnées (liquides, amorphes) et cristaux. En particulier, le défi de simuler la cristallisation du liquide proche du point de fusion, généralement impossible à reproduire par dynamique moléculaire avec un potentiel interatomique réaliste (les travaux précédents étant limités à des températures beaucoup plus basses pour accélérer la cinétique de cristallisation), a été gagné [1].

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Références

[1]  S. Pipolo, M. Salanne, G. Ferlat, S. Klotz, A.M. Saitta, F. Pietrucci, Navigating at will on the water phase diagram, Phys. Rev. Lett. 119, 245701 (2017)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.245701

[2]  M. Fitzner, G.C. Sosso, F. Pietrucci, S. Pipolo, A. Michaelides, Pre-critical fluctuations and what they disclose about heterogeneous crystal nucleation, Nat. Commun. 8, 2257 (2017)

http://dx.doi.org/10.1038/s41467-017-02300-x

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fabio Pietrucci (claire.carvallo @ upmc.fr)