De nombreux coquillages, minéraux, et les nanomatériaux semi-conducteurs sont constitués de cristaux plus petits, qui s'assemblent comme les pièces d'un puzzle. Maintenant, les chercheurs ont mesuré les forces qui provoquent l'assemblage des cristaux, révélant un orchestre de facteurs concurrents que les chercheurs pourraient être en mesure de contrôler.

Le travail a une variété d'implications dans la découverte et la science appliquée. En plus de fournir des informations sur la formation de minéraux et de nanomatériaux semi-conducteurs, cela pourrait également aider les scientifiques à comprendre le sol lorsqu'il se dilate et se contracte au cours des cycles de mouillage et de séchage. Dans le domaine appliqué, les chercheurs pourraient utiliser les principes pour développer de nouveaux matériaux avec des propriétés uniques pour les besoins énergétiques.

Les résultats, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences en juillet, décrire comment la disposition des atomes dans les cristaux crée des forces qui les rapprochent et les alignent pour l'amarrage. L'étude révèle comment l'attraction devient plus forte ou plus faible à mesure que l'eau est chauffée ou que du sel est ajouté, qui sont tous deux des processus communs dans le monde naturel.

L'équipe multinationale, dirigé par les chimistes Dongsheng Li et Jaehun Chun du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie, ont exploré les forces d'attraction entre deux particules cristallines de mica. Un minéral floconneux qui est couramment utilisé dans l'isolation électrique, ce minéral à base de silicium est bien étudié et facile à travailler car il s'écaille en morceaux plats avec des surfaces cristallines presque parfaites.

Forces et visages

La cristallisation se produit souvent par l'assemblage de blocs de construction à multiples facettes :certaines faces de ces cristaux plus petits s'alignent mieux avec d'autres, comme le font les blocs Lego. Li et Chun ont étudié un processus de cristallisation spécifique appelé attachement orienté. Entre autres caractéristiques distinctives, L'attachement orienté se produit lorsque de plus petites sous-unités de cristaux naissants alignent leurs meilleures faces correspondantes avant de cliquer ensemble.

Le procédé crée diverses formes non linéaires :des nanofils avec des branches, des treillis qui ressemblent à des nids d'abeilles compliqués, et les tétrapodes, de minuscules structures qui ressemblent à des vérins à quatre bras. Les forces moléculaires qui contribuent à cet auto-assemblage ne sont pas bien comprises.

Les forces moléculaires qui entrent en jeu peuvent attirer ou repousser les minuscules blocs de construction cristallins les uns par rapport aux autres. Ceux-ci incluent une variété de forces de manuels telles que van der Waals, liaison hydrogène, et électrostatique, entre autres.

Pour explorer les forces, Li, Chun et ses collègues ont fraisé des faces plates sur de minuscules plaques de mica et les ont placées sur un appareil qui mesure l'attraction entre deux pièces. Ensuite, ils ont mesuré l'attraction en tordant les visages l'un par rapport à l'autre. L'expérience a permis de baigner le mica dans un liquide contenant différents sels, en les laissant tester des scénarios du monde réel.

La différence dans ce travail était la configuration liquide. Des expériences similaires par d'autres chercheurs ont été faites à sec sous vide; dans ce travail, le liquide a créé des conditions qui simulent mieux la façon dont les vrais cristaux se forment dans la nature et dans les grandes méthodes industrielles. L'équipe a réalisé certaines de ces expériences à l'EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science au PNNL.

Torsade et sel

L'une des premières choses que l'équipe a découvertes était que l'attraction entre deux morceaux de mica augmentait et diminuait lorsque les visages se tordaient l'un par rapport à l'autre, comme lorsque vous essayez de faire un sandwich avec deux aimants plats pour réfrigérateur (allez, essayez-le). En réalité, l'attraction montait et descendait tous les 60 degrés, correspondant à l'architecture interne du minéral, qui est presque hexagonale comme une cellule en nid d'abeille.

Bien que d'autres chercheurs, il y a plus de dix ans, aient prédit que cette attraction cyclique se produirait, c'est la première fois que les scientifiques mesurent les forces. Connaître la force des forces est la clé pour manipuler la cristallisation dans un cadre de recherche ou industriel.

Mais d'autres choses étaient également en effervescence dans la confrontation avec le mica. Entre les deux surfaces, l'environnement liquide abritait des ions chargés électriquement provenant de sels, éléments normaux trouvés lors de la cristallisation dans la nature. L'eau et les ions formaient une couche assez stable entre les surfaces qui les maintenaient en partie séparés. Et tandis qu'ils se dirigeaient l'un vers l'autre, les deux surfaces de mica s'y sont arrêtées, équilibré entre l'attraction moléculaire et la répulsion par l'eau et les ions.

L'équipe a également découvert qu'elle pouvait manipuler la force de cette attraction en changeant le type d'ions, leur concentration, et la température. Différents types d'ions et leurs concentrations ont modifié la répulsion électrostatique entre les surfaces de mica. La taille des ions et le nombre de charges qu'ils transportaient ont également créé plus ou moins d'espace dans la couche d'interférence.

Dernièrement, des températures plus élevées ont augmenté la force de l'attraction, contrairement à la façon dont la température se comporte en plus simple, scénarios moins complexes. Les chercheurs ont construit un modèle des forces concurrentes qui comprenaient van der Waals, électrostatique, et les forces d'hydratation.

À l'avenir, disent les chercheurs, les principes dégagés de cette étude peuvent être appliqués à d'autres matériaux, qui serait calculé pour le matériau d'intérêt. Par exemple, manipuler l'attraction pourrait permettre aux chercheurs de fabriquer sur mesure des cristaux de tailles et de formes souhaitées et avec des propriétés uniques. Globalement, le travail donne un aperçu de la croissance cristalline par assemblage de nanoparticules en synthèse, biologique, et les environnements géochimiques.