Pour conclure une année 2024 riche en webinaires, Frédéric Caupin (Université Claude Bernard Lyon 1 et Institut Universitaire de France) a présenté ses travaux portant sur le polyamorphisme liquide
Quand on évoque un corps pur à l’état fluide, on ne pense en général qu’à deux états distincts : liquide et vapeur, tous les deux reliés continûment par-delà le point critique. Il en va tout autrement pour l’état solide. Les nombreuses symétries sous lesquelles un cristal peut s’organiser offrent autant de possibilités de phases différentes : on parle alors de polymorphisme cristallin. Un exemple bien connu est le carbone, qui peut se trouver sous forme de graphite ou de diamant.
Cependant, notre vision des liquides purs ne cesse d’évoluer, et l’existence de plusieurs phases liquides distinctes émerge pour des substances aussi diverses que l’hydrogène, le soufre ou l’eau [1]. Des transitions de phases entre deux liquides du même corps pur, mais dont la structure diffère, ont ainsi été mises en avant expérimentalement et/ou numériquement. Après un panorama de ce domaine, cette présentation évoque les anomalies thermodynamiques que génère nécessairement un point critique liquide-liquide, qui pourrait être à l’origine des nombreuses anomalies de l’eau [2,3]. Un modèle minimal de fluide sur réseau sera présenté. Celui-ci reprend le modèle classique du mélange binaire compressible, mais en permettant aux deux types de particules en présence de se transformer l’une en l’autre [4]. Ce modèle, malgré sa simplicité, rend compte de toutes les possibilités de polyamorphisme liquide, avec des anomalies dans le diagramme de phase, les propriétés thermodynamiques, et la tension de surface [5,6].
[1] M.A. Anisimov, M. Duška, F. Caupin, L.E. Amrhein, A. Rosenbaum, and R.J. Sadus. Thermodynamics of Fluid Polyamorphism. Phys. Rev. X, 2018, 8, 011004.
[2] P. Gallo, K. Amann-Winkel, C.A. Angell, M.A. Anisimov, F. Caupin, C. Chakravarty, E. Lascaris, T. Loerting, A.Z. Panagiotopoulos, J. Russo, J.A. Sellberg, H.E. Stanley, H. Tanaka, C. Vega, L.M. Xu, L.G.M. Pettersson. Water: A Tale of Two Liquids. Chem. Rev. 2016, 116, 7463-7500.
[3] V. Holten, C. Qiu, E. Guillerm, M. Wilke, J. Ricka, M. Frenz, and F.Caupin. Compressibility anomalies in stretched water and their interplay with density anomalies. J. Phys. Chem. Lett., 2017, 8, 5519–5522.
[4] F. Caupin and M.A. Anisimov. Minimal microscopic model for liquid polyamorphism and waterlike anomalies. Phys. Rev. Lett. 2021, 127, 185701.
[5] T.J. Longo, S.V. Buldyrev, M.A. Anisimov, and F. Caupin. Interfacial Properties of Fluids Exhibiting Liquid Polyamorphism and Water-Like Anomalies. J. Phys. Chem. B 2023, 127, 3079-3090.
[6] S.V. Buldyrev, T.J. Longo, F. Caupin and M.A. Anisimov. Monte Carlo simulations of the blinking-checkers model for polyamorphic fluids. Molecular Physics 2024, e2371555.