Surfusion

Solidification présentant une surfusion.

La surfusion est due à l'énergie de tension superficielle à l'interface solide-liquide.

De manière simplifiée, on peut considérer que dans un liquide libre d'impuretés, les petits germes de solide en voie de congélation sont instables car ils sont refondus par l'agitation thermique. Plus rigoureusement, l'énergie libérée par la solidification (chaleur latente de fusion) ne compense pas l'énergie dépensée pour créer l'interface solide-liquide. Le liquide continue donc à se refroidir sans solidifier. Cet état peut être déstabilisé par l'ajout d'impuretés microscopiques (poussière), floculants ou un monocristaux (cristaux de glace dans le cas de l'eau), pouvant servir de noyaux de condensation, ou par un brassage qui stimule la formation de cristaux suffisamment gros pour ne pas refondre.

On peut déterminer le rayon minimal pour qu'un cristal soit stable, en fonction de la tension superficielle σ, de la chaleur latente de fusion L et de la masse volumique ρ :

${\displaystyle r>{\frac {3\sigma }{\mathrm {L} \rho }}}$

C'est aussi le rayon minimal que doit avoir un noyau de condensation. La tension superficielle σ diminuant avec la température, le rayon minimum diminue lui aussi. La solidification est donc « plus facile » lorsque la température baisse.

Ce phénomène se traduit en physique par une économie d'énergie. En effet, bien que la température soit plus basse que la température critique, le fait de passer de l'état liquide à l'état solide requiert un coût énergétique. Or, du fait de la température et en l'absence de perturbation (pouvant être induite par la présence d'impuretés), le système ne s'effondre pas.

Selon des travaux récents, ce phénomène serait lié à l'impossibilité de paver l’espace périodiquement avec un type de solide régulier. C'est un problème de géométrie dans lequel une forme est plus appropriée qu'une autre pour entièrement occuper un espace donné (par exemple des triangles ou des hexagones permettent de modéliser plus finement un cercle, à maille égale, que des carrés[1]).

L'hypothèse formulée par certains théoriciens est que les atomes seraient arrangés dans le liquide en suivant un motif pentagonal. Ce dernier ne permettant pas de paver l'espace, il justifierait alors l'impossibilité de cristallisation sans la destruction de ce motif pentagonal : d'où l'existence du phénomène de surfusion[2].

Cette hypothèse s'est vue renforcée en avril 2010 par les travaux de chercheurs de l'ESRF travaillant sur les processus de croissance de nanofils semi-conducteurs et s'apercevant qu’un alliage d’or et de silicium présente aussi ce phénomène de surfusion[3] - [4].

Avec les matériaux à changement de phase, le phénomène de surfusion est utilisé afin de stocker l'énergie thermique produite par une unité de production de chaleur sous forme latente[5]. Cela permet notamment de limiter les déperditions thermiques dans l'environnement et offre une façon de stocker l'énergie thermique de manière saisonnière[5].

L'exemple le plus fréquent et le plus populaire est celui de la « chaufferette chimique ». Petite poche contenant de l'acétate de sodium trihydraté liquide, espèce relativement stable en surfusion à température ambiante. Sa température de fusion étant aux alentours de 56 °C, déclencher sa solidification à partir de l'état de surfusion et à température ambiante (entre 15 et 25 °C) provoque un « saut » de température (Voir figure plus haut : Solidification présentant une surfusion) qui va donc faire chauffer l'acétate de sodium trihydraté (désormais solide) à 56 °C. D'où l'important dégagement de chaleur ressenti par l'usager ayant utilisé la chaufferette[6].

Le déclenchement de cette solidification se fait, en général, au moyen d'une petite capsule de métal bombée qu'on retourne dans l'autre sens et qui va libérer un grain d'acétate de sodium trihydraté solide, déclenchant ainsi la solidification.

L'eau surfondue joue un rôle important dans plusieurs phénomènes météorologiques.

• L'eau surfondue n'est pas rare dans les nuages, où les avions qui la rencontrent sont sujets au givrage. Cette accumulation de glace est particulièrement dangereuse car même une mince couche de glace sur des ailes, outre l'augmentation de la masse de l'aéronef, peut diminuer leur portance, entrainant un risque de décrochage. De plus, les verrières peuvent aussi se couvrir de givre. Au sein des nuages, l'eau surfondue joue aussi un rôle primordial dans les processus menant à la formation de précipitations.

• Sur l'océan, par temps très froid et venteux, les embruns peuvent devenir surfondus et geler sur la superstructure des navires. Cette situation peut compromettre leur stabilité et les mettre en danger.

• Lorsque la pluie ou la bruine entrent dans une couche d'air plus froide que le point de congélation, les gouttelettes qui les composent peuvent devenir surfondues ; lorsqu'elles atteignent le sol, leur eau se transforme brutalement en glace, ce qui occasionne du verglas.

• Brisure spontanée de symétrie
• Chaufferette, une utilisation de la surfusion dans le cas des chaufferettes chimiques
• Eutectique
• Fusion
• Pluie verglaçante
• Précipité
• Surébullition
• Symétrie (physique)
• Verglas

• (fr) Démonstration en vidéo avec de l'eau et du coca
• Exemple en images (vidéo) avec une bière sortant du congélateur
• (en) Exemple de la surfusion de l'eau
• Vidéo de l'expérience avec de l'eau