La force remarquable des cristaux ioniques s'explique facilement à l'échelle atomique :des atomes chargés positivement et négativement sont assis côte à côte dans un arrangement périodique répété. La forte force électrostatique entre les deux les maintient ensemble.

Mais que se passe-t-il lorsque le modèle périodique prend fin brutalement ? Des chercheurs de l'Université de technologie de Vienne ont soigneusement brisé des cristaux de tantalate de potassium dans des directions spécifiques, et imagé les surfaces résultantes à l'aide d'un microscope à force atomique de pointe. Leurs données ont été combinées avec des calculs effectués à l'Université de Vienne, et une série de phénomènes remarquables ont finalement été expliqués. Les résultats ont été publiés dans Science , et sont potentiellement utiles pour des technologies telles que la production d'hydrogène.

Les cases noires et blanches sur un échiquier alternent le long des lignes et des colonnes, et à un angle d'un coin à l'autre, ils apparaissent sous forme de lignes noires et blanches. Les carrés noirs et blancs en deux dimensions ressemblent à un cristal en trois dimensions :« Si l'on fend un cristal cubique dans une certaine direction, on peut se retrouver avec seulement des charges positives ou seulement des charges négatives à la surface. Une telle situation serait très instable, " explique le professeur Ulrike Diebold de l'Institut de physique appliquée de l'Université de technologie de Vienne. Un empilement de couches purement positives et chargées négativement entraînerait un potentiel de millions de volts à travers le minuscule échantillon - les scientifiques appellent cela la "catastrophe polaire". « Pour éviter cette situation, les atomes doivent se réorganiser. Mais comment?

"Il y a différentes manières dont une surface peut réagir lorsque nous séparons un cristal, " dit Martin Setvin, premier auteur de la publication. "Les électrons peuvent s'accumuler à certains endroits, le réseau cristallin peut se déformer, ou des molécules de l'atmosphère peuvent coller à la surface, changer ses propriétés."

Par microscope à effet tunnel, il est immédiatement évident qu'un cristal brisé à très basse température a la moitié de la couche chargée négativement d'un côté, et moitié de l'autre. Parce que les îles négatives couvrent exactement 50 pour cent de chaque surface, la surface est électriquement neutre. "Encore, l'île est grande, la catastrophe polaire n'est donc pas complètement évitée - le champ en dessous modifie les propriétés physiques du matériau, " dit Setvin.

Bizarrement quand même, en élevant légèrement la température de la surface, les îles se brisent et les atomes forment un labyrinthe de lignes dentelées. Les "murs" de ce labyrinthe ne mesurent qu'un atome de haut et quatre à cinq atomes de large, et les calculs montrent qu'il s'agit bien d'une configuration plus stable.

"Les structures du labyrinthe ne sont pas seulement belles mais aussi potentiellement utiles, " dit Diebold. " C'est exactement ce que vous voulez - de minuscules structures où de forts champs électriques se produisent à l'échelle atomique. " On pourrait les utiliser, par exemple, pour permettre des réactions chimiques qui ne se dérouleraient pas d'elles-mêmes, telles que la division de l'eau, pour produire de l'hydrogène.

"L'utilisation de ces étranges surfaces cristallines en technologie nécessite que nous comprenions ce qui se passe à l'échelle atomique, " souligne Setvin. " C'est pourquoi la microscopie est si importante pour nous. Dans des images à haute résolution, nous pouvons observer directement des atomes individuels, regarde comment ils bougent, et enfin comprendre ce que la nature essaie de faire. Peut-être alors, nous pouvons trouver comment l'utiliser."