Beaucoup de substances autour de nous, du sel de table et du sucre à la plupart des métaux, sont disposés en cristaux. Parce que leurs molécules sont disposées de manière ordonnée, motif répétitif, beaucoup est compris sur leur structure.

Cependant, un bien plus grand nombre de substances, y compris le caoutchouc, le verre et la plupart des liquides - n'ont pas cet ordre fondamental partout, rendant difficile la détermination de leur structure moléculaire. À ce jour, la compréhension de ces substances amorphes repose presque entièrement sur des modèles théoriques et des expériences indirectes.

Une équipe de recherche dirigée par l'UCLA est en train de changer cela. En utilisant une méthode qu'ils ont développée pour cartographier la structure atomique en trois dimensions, les scientifiques ont directement observé comment les atomes sont emballés dans des échantillons de matériaux amorphes. Les résultats, publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , peut forcer une réécriture du modèle conventionnel et informer la conception de futurs matériaux et dispositifs utilisant ces substances.

"Nous pensons que cette étude va avoir un impact très important sur la future compréhension des solides et liquides amorphes, qui sont parmi les substances les plus abondantes sur Terre, " a déclaré l'auteur principal de l'étude, Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA et membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA. « La compréhension des structures fondamentales peut conduire à des avancées technologiques spectaculaires. »

À partir de 1952 avec les travaux du physicien britannique Frederick Charles Frank, la compréhension scientifique dominante a été que les atomes et les molécules dans un liquide ou un solide amorphe s'assemblent généralement en groupes de 13. Le modèle soutient qu'ils sont configurés avec un atome ou une molécule central entouré par les 12 autres - deux anneaux de cinq autour du centre particule, avec un autre coiffant le haut et un coiffant le bas.

Pour modéliser comment des amas d'atomes ou de molécules pourraient s'assembler à plus grande échelle, les scientifiques conceptualisent ce groupe de 13 comme une forme 3D en traitant chaque particule externe comme un coin et en reliant les points, résultant en un solide à 20 faces triangulaires, appelé icosaèdre, une forme familière à tout joueur de Donjons &Dragons sous la forme d'un dé à 20 faces.

Miao et ses collègues ont trouvé quelque chose de différent, bien que.

L'équipe a analysé trois objets métalliques amorphes en utilisant la tomographie électronique atomique. Il s'agit d'une méthode d'imagerie puissante qui envoie des électrons sur un échantillon et mesure les électrons lors de leur passage, capturer les données plusieurs fois pendant la rotation de l'échantillon afin que les algorithmes informatiques puissent construire une image 3D.

Les chercheurs ont découvert que seule une très petite fraction des atomes formaient des groupes icosaédriques de 13. Au contraire, l'arrangement le plus courant était des groupes de sept, avec cinq en une couche centrale, un en haut, un en bas et pas d'atome central - une forme que les chercheurs décrivent comme une bipyramide pentagonale, ayant 10 faces triangulaires. Ils ont également observé que ces bipyramides pentagonales formaient des réseaux dans lesquels les bords étaient souvent partagés.

« Depuis le papier de Frank, la communauté scientifique pense que l'ordre icosaédrique est le motif structurel le plus important dans les liquides ou les solides amorphes, " dit Miao. " Mais jusqu'à présent, personne d'autre n'a été capable de tracer la position de tous les atomes et de vérifier. Nous avons trouvé que la bipyramide pentagonale est le motif le plus répandu. La nature semble préférer se combiner à sept."

La prédominance de cette combinaison était constante dans les échantillons étudiés par les chercheurs, qui, par souci de simplicité, matériaux sélectionnés qui existent sous forme d'atomes uniques à leur échelle fondamentale. Les matériaux examinés étaient un film mince en tantale, qui est un métal rare utilisé pour les composants électroniques, et deux nanoparticules à base de palladium, un métal important pour les convertisseurs catalytiques qui rendent les gaz d'échappement des automobiles moins toxiques.

L'équipe a également utilisé leurs données expérimentales comme base pour une simulation informatique de ce qui se passe lorsque le tantale est fondu puis rapidement refroidi afin que les cristaux ne se forment pas, résultant en ce qu'on appelle un verre métallique. Dans la simulation, les atomes de tantale emballés de la même manière dans des réseaux de bipyramides pentagonales plus souvent que toute autre forme, à la fois sous forme de liquide et de verre.

Ces découvertes peuvent inciter à reconsidérer certains aspects du modèle physique de la science pour le monde qui nous entoure. Et parce que les matériaux amorphes sont intégrés dans certains semi-conducteurs et de nombreux dispositifs, y compris les panneaux solaires, cette recherche pourrait être une première étape pour remplacer les essais et les erreurs par une conception ciblée lorsque ces matériaux sont impliqués.

"Ce travail, ainsi que notre récent article Nature sur les matériaux non cristallins, peut être comparable en influence à la première fois que la science a révélé la structure atomique 3D des cristaux de sel il y a plus d'un siècle, " dit Miao.