低熔点镓基液态金属用作冷却集成电子设备以及制造柔性和可重新配置电子设备以及软机器人的热交换流体。

镓是一种神秘的金属，具有显着的物理特性，包括高于室温的异常低熔点，任何元素的最大液体范围之一以及与水相似的熔融收缩率。

高压下液态镓的同步加速器X射线衍射图（左）和从头开始的分子动力学模拟快照（右）。来源：布里斯托大学

与结晶固体中原子的规则周期性排列相反，液态的特征在于无序。液体可以流动，并且它们的原子像气体一样混乱地运动。

但是，与气体不同，液体中的强大凝聚力会在局部范围内产生一定程度的有序性。理解高压和高温下这种顺序的变化对于开发具有新颖物理特性的材料或在极端条件下运行非常重要，对于理解深层地球和系外行星内部的过程（例如金属核的形成和磁场的产生）至关重要。

在由布里斯托大学的科学家领导的一项新研究中，该研究发表在《物理评论快报》上，在英国钻石光源进行的原位同步加速器X射线衍射测量是液体镓的熔化曲线，密度和结构。据报道，使用电阻加热的金刚石砧盒产生这些极端条件的压力高达26GPa。

液态镓在30GPa和K下的模拟快照，其中镓原子显示为小灰色球形。仅由五重对称（10B，橙色球）和晶体状（11F，蓝色球）基序中的Ga原子簇组成的结构熵极低的区域，可能有助于使玻璃相稳定在高压熔点以下。彩色键突出了两个结构图案中的环：10B的五边形，11F的三角形和正方形。图片来源：布里斯托大学

在布里斯托大学的高级计算研究中心的超级计算机“BlueCrystalphase4”上运行的从头算分子动力学模拟的结果与实验测量结果非常吻合。

先前的研究预测，镓和其他金属的液体结构将从在环境压力下具有低配位数的复杂构型发展到在高压下的简单“硬球”排列。

然而，通过拓扑聚类分析，研究人员发现与该简单模型存在显着偏差：即使在极高的压力下，液态镓中的局部顺序也得以维持，形成了低局部熵的区域，该区域包含具有五重对称性和晶体状的结构图案订购。

布里斯托大学地球科学学院的主要作者詹姆斯·德鲁伊特博士说：“这种意外的意外出现是在高压下液态镓中低构型熵图案的出现，可能为促进低于熔融曲线的亚稳玻璃相提供了一种机制。

“这为将来的实验和理论研究开辟了新的研究途径，以探索高压下的快速温度淬火熔体，从而生产出新型的金属玻璃材料。”

资料来源：布里斯托大学