Physiciens capturent pour la première fois la phase « intermédiaire » de fusion dans un matériau bidimensionnel !

Des chercheurs autrichiens ont récemment réussi à observer pour la première fois le processus de fusion d’un matériau ultrafin au niveau atomique, révélant une phase qui remet en question les théories classiques sur la fusion des cristaux bidimensionnels.

Dans les matériaux tridimensionnels tels que la glace ou les métaux, la fusion se produit de manière abrupte : lorsque la température de fusion est atteinte, la structure cristalline se désintègre presque instantanément. En revanche, dans le cas de matériaux constitués d’un seul mélange atomique, la dynamique change. Dans les cristaux bidimensionnels, les atomes ne peuvent se déplacer que dans un seul plan, ce qui entraîne une thermodynamique différente.

Une des phases considérées comme « non triviale » est la phase hexatique, qui représente un stade intermédiaire entre les états solide et liquide. Dans cette phase, les distances entre les atomes deviennent aléatoires (comme dans un liquide), mais les angles entre eux restent partiellement organisés (comme dans un solide). Bien que son existence ait été théorisée dans les années 1970, aucune observation directe dans des matériaux réels n’avait été faite jusqu’à présent.

Les scientifiques de l’Université de Vienne ont mis en place les conditions nécessaires pour observer ce phénomène. Ils ont placé un mono-couche d’iodure d’argent (AgI) entre deux feuilles de graphène, offrant ainsi une protection au AgI et permettant de le chauffer sans l’endommager. Le matériau a ensuite été porté à 1100 °C à l’intérieur d’un microscope électronique à balayage et à transmission (STEM), permettant de réaliser des vidéos avec une résolution atomique.

Les données recueillies ont montré qu’environ 25 °C avant la fusion, le matériau passait effectivement à la phase hexatique, en accord avec les théories existantes. Cependant, la transition entre la phase hexatique et la phase liquide a révélé un comportement inattendu : elle s’est produite de manière brusque, contrairement aux prévisions qui prévoyaient une transition plus progressive. À ce stade final, le comportement ressemblait davantage à celui de la fusion classique des matériaux tridimensionnels, tel que le passage de la glace à l’eau.

« Sans outils basés sur l’intelligence artificielle, il aurait été impossible de suivre le mouvement de chaque atome », déclare Kimmo Mustonen, l’un des principaux auteurs de l’étude. Son collègue, David Lamprecht, souligne quant à lui : « Cela prouve que la fusion dans les cristaux covalents bidimensionnels est plus complexe que ce qui avait été estimé précédemment. »

Ces résultats revêtent une importance considérable pour le domaine de la science des matériaux : ils montrent que les matériaux bidimensionnels peuvent fondre selon des mécanismes qui échappent aux théories standard, nécessitant ainsi une réévaluation des transitions de phase. De plus, la méthode de visualisation directe et d’analyse ouvre un nouveau niveau de précision pour étudier les transitions de phases et développer des matériaux aux propriétés prévisibles.