Transition liquide-liquide, polymorphisme et second point critique dans les liquides denses – LILI

La transition liquide-liquide (TLL) est un phénomène rare et intriguant où un liquide mono-composant se transforme en un autre via une transition du premier ordre. De par sa nature contre-intuitive, la TLL intrigue les scientifiques depuis de nombreuses années et défie notre perception de l’état liquide, pour lequel la notion de polymorphisme a longtemps été considérée comme impossible. Une TLL a été prédite via des simulations numériques dans plusieurs systèmes, et est très débattue dans le cas de l’eau surfondue. Cependant, notre compréhension théorique du phénomène reste relativement primitive, et aucune théorie ne permet actuellement de prédire si une TLL existe dans un matériau. C’est pourquoi les réalisations expérimentales connues sont rares, faites accidentellement, et souvent controversées. Une percée majeure a été faite récemment par le présent consortium, avec la découverte d’une TLL dans le souffre liquide comprimé, et la toute première preuve d’un point critique liquide-liquide (PCLL) terminant la ligne de transition. Un tel PCLL est cherché depuis longtemps dans l’eau mais reste impossible à atteindre expérimentalement jusqu’à ce jour. Situé à 2.15 GPa-1035 K, le PCLL dans le soufre peut être aisément approché par l’expérience, ce qui ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine.

L’objectif général de ce projet est de faire progresser notre compréhension de la TLL en obtenant des données expérimentales et par simulations numériques qui formeront une base solide pour extraire les caractères systématiques des TLL, et aideront à l’émergence de théories prédictives. Pour cela, nous proposons d’étudier plusieurs systèmes représentatifs de plusieurs classes de matériaux, sur une large gamme de pression et de température (0-150 GPa, 300-3000 K) et en utilisant plusieurs diagnostics X ou optiques disponibles sur les sites des 3 partenaires. La première partie du projet (Tâches 1 et 6) portera sur les deux systèmes pour lesquels une LLT est bien établie, le soufre et le phosphore. Nous étudierons pour la première fois les phénomènes critiques et la classe d’universalité du PCLL dans le soufre grâce à la diffusion des RX à bas angle (SAXS) en cellule à enclumes de diamant (CED), et déterminerons la classe d’universalité. Nous déterminerons aussi si un PCLL existe dans le phosphore en mesurant le saut de densité le long de la ligne de transition. Une meilleure compréhension de la nature microscopique des phases liquides basse et haute densité, et des mécanismes de transition sera obtenue pour S et P par l’expérience et la simulation. Finalement, nous étudierons leurs courbes de fusion près de la TLL et établirons si le modèle à deux états est compatible avec les données thermodynamiques. Dans la deuxième partie du projet, nous étendrons nos études à d’autres systèmes qui sont de bons candidats pour la TLL, comme suggéré par des études numériques ou expérimentales antérieures. Spécifiquement, cela concerne les « network-liquid »B2O3 et AsS (Tâche 2) les fluides moléculaires N2, CO2 et H2 (Tâche 3), et les liquides alcalins Li, Na et K (Tâche 4). Pour B2O3 et AsS, la TLL est attendue en-dessous de quelques GPa, et des études similaires à celles décrites pour S et P seront conduites. Pour les liquides moléculaires et alcalins, la TLL est attendue à des pressions situées entre 20 et 150 GPa, ce qui requière l’utilisation d’échantillon plus petits comprimés en CED. L’équipe a développé de nouvelles techniques dans le cadre du projet ANR PRC MOFLEX qui a rendu possible l’étude structurale et vibrationnelle de liquides à éléments légers en CED dans le domaine du mégabar, via des diagnostics X et la spectroscopie Raman et Brillouin, qui seront mises au service de ce projet. De nouveaux développements techniques seront également entrepris (Tâche 5), comme le SAXS à haute P-T, pour complémenter et ouvrir de nouvelles possibilités de mesures.