Vloeibare metalen en legeringen hebben uitzonderlijke eigenschappen waardoor ze geschikt zijn voor opslag en opwekking van elektrische energie.

Op gallium gebaseerde vloeibare metalen met een laag smeltpunt worden gebruikt als warmtewisselingsvloeistoffen voor het koelen van geïntegreerde elektronica en bij de vervaardiging van flexibele en herconfigureerbare elektronische apparaten en zachte robotica.

Gallium is een raadselachtig metaal met opmerkelijke fysieke kenmerken, waaronder een abnormaal laag smeltpunt net boven kamertemperatuur, een van de grootste vloeistofbereiken van elk element, en een volumecontractie bij smelten vergelijkbaar met die waargenomen voor water.

In tegenstelling tot de reguliere periodieke rangschikkingen van atomen in kristallijne vaste stoffen, de vloeibare toestand is kenmerkend ongeordend. Vloeistoffen kunnen stromen en hun atomen bewegen chaotisch als in een gas.

Echter, in tegenstelling tot een gas, de sterke cohesiekrachten in vloeistoffen zorgen voor een zekere mate van orde op lokale schaal. Begrijpen hoe deze volgorde verandert bij hoge drukken en temperaturen is belangrijk voor de ontwikkeling van materialen met nieuwe fysische eigenschappen of voor het werken onder extreme omstandigheden en is de sleutel tot het begrijpen van processen in diepe terrestrische en exoplanetaire interieurs, zoals vorming van metalen kernen en opwekking van magnetische velden.

In een nieuwe studie onder leiding van wetenschappers van de Universiteit van Bristol, en gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , in situ synchrotron röntgendiffractiemetingen uitgevoerd bij Diamond Light Source, VK van de smeltcurve, dichtheid, en structuur van vloeibaar gallium worden gerapporteerd aan drukken tot 26 GPa met behulp van een resistief verwarmde diamanten aambeeldcel om deze extreme omstandigheden te genereren.

De resultaten van ab initio Molecular Dynamics-simulaties, draaien op de supercomputer "BlueCrystal phase 4" van het Advanced Computing Research Centre van de Universiteit van Bristol, komen uitstekend overeen met de experimentele metingen.

Eerdere studies voorspellen dat de vloeibare structuren van gallium en andere metalen zich ontwikkelen van complexe configuraties met lage coördinatiegetallen bij omgevingsdruk tot eenvoudige 'harde-bol'-arrangementen bij hoge druk.

Echter, met behulp van topologische clusteranalyse vonden de onderzoekers een significante afwijking van dit eenvoudige model:zelfs bij extreme drukken blijft de lokale orde in vloeibaar gallium behouden, met de vorming van gebieden met lage lokale entropie die structurele motieven bevatten met vijfvoudige symmetrie en kristalachtige ordening.

Hoofdauteur Dr. James Drewitt van de School of Earth Sciences van de Universiteit van Bristol, zei:"Deze opvallend onverwachte opkomst van lage configuratie-entropiemotieven in vloeibaar gallium bij hoge druk biedt mogelijk een mechanisme voor de bevordering van metastabiele glasfasen onder de smeltcurve.

"Dit opent een nieuwe weg voor onderzoek voor toekomstige experimentele en theoretische studies om snelle, temperatuurgedoofde smelten onder hoge druk te onderzoeken, wat leidt tot de productie van nieuwe metallische glasmaterialen."