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Si les états solide, liquide, gazeux et plasmatique de la matière sont familiers pour les chercheurs, l’existence simultanée de deux de ces états est cependant, elle, totalement inhabituelle. Surtout lorsque ce phénomène concerne un élément chimique aussi ordinaire que le potassium. En lui appliquant une température et pression extrêmes, des chercheurs sont parvenus à obtenir du potassium simultanément solide et liquide. 

Au-delà des quatre états ordinaires de la matière, certains éléments peuvent se retrouver simultanément dans deux de ces états. Toutefois, cela ne se produit pas spontanément. Des conditions physiques particulières, notamment de pression et de température, doivent être réunies pour voir émerger ce nouvel état étrange de la matière.

« Ce serait comme si vous teniez une éponge remplie d’eau qui commence à goutter, si ce n’est que l’éponge est aussi faite d’eau » déclare le physicien Andreas Hermann de l’Université d’Edimbourg.

Le potassium est assez simple, il présente une structure cristalline de base sous sa forme solide. Mais soumis à des conditions extrêmes, les métaux les plus simples peuvent arborer des propriétés étonnantes. Par exemple, le sodium, un métal conducteur, devient un isolant à haute pression. Le lithium devient un supraconducteur à haute pression et à basse température.

Des expériences précédentes avec du potassium à haute pression montraient que ses atomes s’organisaient en un arrangement complexe — cinq tubes d’atomes dans une formation carrée, quatre aux angles et un au milieu ; et quatre chaînes d’atomes liés entre eux. Lorsque la chaleur est appliquée, les chaînes disparaissent ; les chercheurs ont appelé cela la « transition de fusion de chaîne », supposée se produire lorsque les chaînes de potassium passent d’un état ordonné à un état désordonné.

structure potassium atomes

Sous haute pression, les atomes de potassium se réarrangent en une conformation complexe sous forme de tubes cylindriques. Crédits : McBride et al., Phys. Rev. B, 2015

Pour tenter de comprendre pourquoi cela se produisait, les chercheurs ont utilisé dans la dernière étude des simulations informatiques et des réseaux de neurones pour observer et analyser le comportement d’environ 20’000 atomes de potassium dans des conditions extrêmes. Lorsque la pression et la température sont suffisamment élevées (environ 2 à 4 gigapascals pour la pression), les atomes de potassium se sont organisés en chaînes et en treillis reliés entre eux. La découverte a été publiée dans la revue PNAS.

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Les interactions chimiques entre les atomes du réseau sont fortes, de sorte qu’ils restent solides et ordonnés lorsqu’une température comprise entre 130 et 530 °C est appliquée. Mais simultanément, les chaînes passent dans un état désordonné et liquide. L’équipe qualifie ce nouvel état de « phase de fusion de chaîne » et pense qu’il existe dans divers matériaux, notamment le sodium et le bismuth, dans les bonnes conditions, qui sont probablement différentes des conditions nécessaires à l’induction de l’état pour le potassium.

« Le potassium est l’un des métaux les plus simples que nous connaissons, mais si vous lui appliquez les bonnes conditions, il forme des structures très compliquées. Nous avons montré que cet état inhabituel mais stable est à la fois solide et liquide. La présence de cet état inhabituel dans d’autres matériaux pourrait avoir toutes sortes d’applications » conclut Hermann.

Source : PNAS

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