Pourquoi l’oxyde de Bore se solidifie-t-il sous forme d’un verre désordonné et non d’un cristal régulier ?

L’oxyde de bore se solidifie à température ambiante en un verre désordonné à cause de l’existence de nombreuses formes cristallines différentes dont les énergies de formation sont comparables.

Lorsqu’un liquide devient solide, il forme soit un cristal, parfaitement ordonné soit un verre, dont l’organisation des atomes est aussi désordonnée que dans un liquide. Parmi tous les matériaux, l’oxyde de bore (B₂O₃) présente des propriétés anormales. Contrairement à d’autres formateurs de verres, la phase vitreuse de B₂O₃ est structuralement très différente des phases cristallines connues. De plus, à pression ambiante, B₂O₃ se solidifie en verre et ne cristallise jamais ; il faut refroidir le liquide sous une pression dépassant les 4000 atmosphères (0,4 GPa) pour qu’il cristallise. En déterminant les formes possibles de cristallisation de l’oxyde de bore, des physiciens de l’Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés - IMPMC (CNRS - UPMC - IRD) viennent d’expliquer ce phénomène. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Nature Materials.

Les physiciens ont tout d’abord déterminé toutes les formes possibles de cristallisation de B₂O₃. Ils ont pour cela utilisé une base de données des réseaux topologiques compatibles avec la géométrie des liaisons chimiques de cet oxyde et ont rempli les noeuds de ces réseaux avec les atomes de bore. Ils ont ensuite optimisé les structures obtenues et déterminé les énergies de formation grâce à des calculs quantiques ab-initio. Ils ont ainsi prédit l’existence de 25 phases cristallines de B₂O₃ encore inconnues à ce jour. Les propriétés structurales de ces nouvelles phases cristallines sont similaires à celle du verre de B₂O₃. Comme les énergies de formation de ces cristaux sont très similaires à pression ambiante, aucune de ces structures ordonnées n’est privilégiée : le système se solidifie en un verre désordonné, localement semblable à l’un des cristaux, mais sans ordre global. L’application d’une pression lève la dégénérescence entre les formes cristallines et conduit alors à la formation d’un cristal. En outre, les structures cristallines prédites forment des cages ou des canaux nanométriques, ouvrant ainsi d’intéressantes perspectives pour la synthèse de matériaux nanoporeux.

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