低熔點鎵基液態金屬用作冷卻集成電子設備以及製造柔性和可重新配置電子設備以及軟機器人的熱交換流體。
鎵是一種神秘的金屬，具有顯著的物理特性，包括高於室溫的異常低熔點，任何元素的最大液體範圍之一以及與水相似的熔融收縮率。
高壓下液態鎵的同步加速器X射線衍射圖（左）和從頭開始的分子動力學模擬快照（右）。來源：布里斯托大學
與結晶固體中原子的規則週期性排列相反，液態的特徵在於無序。液體可以流動，並且它們的原子像氣體一樣混亂地運動。
但是，與氣體不同，液體中的強大凝聚力會在局部範圍內產生一定程度的有序性。理解高壓和高溫下這種順序的變化對於開發具有新穎物理特性的材料或在極端條件下運行非常重要，對於理解深層地球和系外行星內部的過程（例如金屬核的形成和磁場的產生）至關重要。
在由布里斯托大學的科學家領導的一項新研究中，該研究發表在《 物理評論快報》上， 在英國鑽石光源進行的原位 同步加速器X射線衍射測量是液體鎵的熔化曲線，密度和結構。據報道，使用電阻加熱的金剛石砧盒產生這些極端條件的壓力高達26 GPa。
液態鎵在30 GPa和1000 K下的模擬快照，其中鎵原子顯示為小灰色球形。僅由五重對稱（10B，橙色球）和晶體狀（11F，藍色球）基序中的Ga原子簇組成的結構熵極低的區域，可能有助於使玻璃相穩定在高壓熔點以下。彩色鍵突出了兩個結構圖案中的環：10B的五邊形，11F的三角形和正方形。圖片來源：布里斯托大學
在 布里斯托大學的高級計算研究中心的超級計算機“ BlueCrystal phase 4”上運行的從頭算分子動力學模擬的結果 與實驗測量結果非常吻合。
先前的研究預測，鎵和其他金屬的液體結構將從在環境壓力下具有低配位數的複雜構型發展到在高壓下的簡單“硬球”排列。
然而，通過拓撲聚類分析，研究人員發現與該簡單模型存在顯著偏差：即使在極高的壓力下，液態鎵中的局部順序也得以維持，形成了低局部熵的區域，該區域包含具有五重對稱性和晶體狀的結構圖案訂購。
布里斯托大學地球科學學院的主要作者 詹姆斯·德魯伊特博士說：“這種意外的意外出現是在高壓下液態鎵中低構型熵圖案的出現，可能為促進低於熔融曲線的亞穩玻璃相提供了一種機制。
“這為將來的實驗和理論研究開闢了新的研究途徑，以探索高壓下的快速溫度淬火熔體，從而生產出新型的金屬玻璃材料。”
資料來源：布里斯托大學
