La surfusion est le processus par lequel un liquide ou un gaz est refroidi au-delà de sa température de congélation sans cristalliser en un solide. Dans des conditions de congélation normales, ces substances gèleraient en cristaux autour d’un noyau de germe, un processus connu sous le nom de nucléation hétérogène. Lorsqu’un cristal germe ou un noyau n’existe pas, la substance peut rester liquide jusqu’au point de nucléation homogène, qui se produit à une température beaucoup plus basse.
L’eau pure gèle à 32°F (0°C) mais peut être surfondue à -43.6°F (-42°C). Il doit être distillé pour que la surfusion ait lieu, car la présence d’impuretés créerait des points de nucléation et permettrait la formation de cristaux de glace. L’eau surfondue se transforme très rapidement en glace ou en neige fondante lorsqu’elle rencontre une substance sur laquelle elle peut former des cristaux. Il est également possible de surfusionner l’eau au-delà du point de nucléation homogène, auquel cas elle finit par se solidifier en un type de verre.
De nombreux types différents de substances et de solutions peuvent être surfondus, ce qui rend le processus utile dans une variété d’applications. Par exemple, des alliages métalliques surfondus sont utilisés dans la production de nanostructures semi-conductrices. Les chauffe-mains instantanés, un produit commercial populaire, produisent de la chaleur à partir de la cristallisation rapide d’une solution d’acétate de sodium surfondue.
La solution d’acétate de sodium sursaturée utilisée dans les chauffe-mains est créée en chauffant de l’eau afin que plus d’acétate de sodium que d’habitude puisse être dissous. Ce mélange est ensuite surfondu à température ambiante, restant liquide alors qu’il cristalliserait normalement. Lorsque le chauffe-mains est pressé, la perturbation abaisse la barrière énergétique à la cristallisation et la chaleur est libérée lors de la formation de cristaux.
La surfusion peut être largement observée dans la nature. Cela peut arriver à l’eau sous les glaciers, entraînant des changements dans le transport des sédiments et la dynamique glaciaire. Les gouttelettes d’eau surfondues se forment souvent dans les nuages à haute altitude et se cristallisent en glace lorsqu’elles rencontrent un objet solide. Ce phénomène est responsable de la formation de glace sur les ailes des avions.
De nombreux organismes vivants utilisent également ce processus. Les espèces d’arbres et d’insectes qui vivent dans les climats froids en dépendent pour abaisser le point de congélation de leurs fluides internes. Cela produit une tolérance aux conditions de gel et permet à ces organismes de survivre à des températures extrêmement froides.
La recherche a montré que la surfusion a lieu dans les cas où la structure d’une substance se compose d’atomes en grappes pentagonales. Les pentagones ne peuvent pas être disposés géométriquement de manière à remplir complètement un espace cristallin, donc la cristallisation ne se produit pas. L’effet accru de ceci a été démontré lors d’études sur la croissance de structures de nanofils sur silicium.