La structure des liquides simples et des alliages liquides métalliques

Abstract

Résumé : De par le caractère isotrope des interactions et leur courte portée, les liquides métalliques ont longtemps été considérés comme des systèmes modèles pouvant être décrits par un arrangement aléatoire de sphères dures. Ceci a été confirmé par l'allure des premières fonctions de distribution de paires déterminées par diffusion de RX ou de neutrons à la précision près des expériences de l'époque. Néanmoins, cette image a tout d'abord été révisée pour le cas des alliages métalliques dont les fonctions de distribution de paires ont révélé un ordre local plus complexe à cause des affinités chimiques entre espèces différentes. Grâce à la possibilité actuelle de mesurer des facteurs de structure de bien meilleure qualité, la question de la nature de l'ordre local et du degré d'isotropie des interactions peut se poser même dans le cas des liquides simples ou dans le cas d'alliages présentant à priori peu d'ordre chimique. Dans ce cadre, l'ordre local icosaédrique est particulièrement intéressant puisque l'icosaèdre est un agrégat très compact et, bien que présentant des liaisons directionnelles, très proche d'une configuration isotrope. La mise en évidence de ce type d'ordre local est présentée pour deux types de liquides : les liquides surfondus dans lesquels un ordre local icosaédrique a été prédit pour expliquer les propriétés de surfusion, et les liquides en équilibre avec des quasicristaux qui présentent un ordre local icosaédrique. 1Introduction aux liquides métalliques 1 Liquides monoatomiquesLes éléments métalliques dans l'état liquide représentent une part importante du tableau périodique des éléments (cf. Fig. 1). Ils sont caractérisés par la coexistence d'électrons de conduction délocalisés et d'un arrangement dynamique d'ions positifs et présentent une bonne conductivité thermique et électrique. Ils sont notablement différents des liquides moléculaires ou semiconducteurs (caractérisés par des liaisons de nature covalente) de par leur plus grande compacité (nombre de coordination entre 9 et 12) et le caractère isotrope des interactions atomiques en première approximation. Notons que certains éléments, tels que le Ge ou le Te, subissent une transition semi-conducteur/métal dans l'état liquide.Le problème de la détermination de la structure de l'état liquide est difficile car c'est un problème à N particules en interaction. Dans le cas de l'état cristallin, cette difficulté est surmontée par la périodicité de translation de l'édifice atomique qui détermine les positions atomiques à partir d'un nombre réduit de paramètres. Dans le cas du gaz, l'absence d'interaction entre des atomes ponctuels situés à de grandes distances permet un traitement de physique statistique. Le liquide peut sembler proche de l'état solide car il a une densité comparable dans des conditions voisines de température et de pression. En outre, sa chaleur latente de fusion est plus petite que la chaleur latente de vaporisation, ce qui implique que les deux états, solide et liquide, ont des propriétés de liaison voisines. D'un autre cô...