Comme une petite aiguille dans un vaste champ de foin, un grain de cristal unique mesurant à peine des dizaines de millionièmes de mètre – trouvé dans un échantillon de trou de forage foré en Sibérie centrale – avait une composition chimique inattendue.

Et une technique de rayons X spécialisée utilisée au laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie (Berkeley Lab) a confirmé le caractère unique de l'échantillon et a ouvert la voie à sa reconnaissance formelle en tant que minéral nouvellement découvert :l'ognitite.

Sur la base de ce succès avec la technique de l'Advanced Light Source (ALS) de Berkeley Lab, l'équipe de recherche l'utilise pour étudier d'autres échantillons minuscules de candidats prometteurs pour de nouvelles découvertes minérales. L'ALS est un synchrotron qui produit des rayons X et d'autres types de lumière pour des dizaines d'expériences simultanées.

"La difficulté est que ces minéraux peuvent être extrêmement rares et ne sont disponibles qu'en très petites quantités, " dit Nobumichi Tamura, un scientifique de l'ALS qui a aidé à personnaliser la technique expérimentale - connue sous le nom de microdiffraction de Laue aux rayons X (et également de diffraction de rayons X micro-Laue) - pour étudier de minuscules échantillons de cristaux, y compris des minéraux. Tamura a participé à la découverte d'ognitite et travaille maintenant avec la même équipe pour explorer d'autres échantillons.

S'occuper des « cas désespérés »

La structure du minéral d'ognitite et d'autres propriétés sont détaillées dans une étude publiée en mai dans Magazine minéralogique et également documenté dans le Journal Européen de Minéralogie . L'étude décrit également une nouvelle variété minérale riche en cobalt - décrite comme " mauchérite cobaltienne - que Tamura a explorée en utilisant la même technique à l'ALS.

« Nous examinons des cas où aucune technique conventionnelle ne peut fonctionner, " dit Tamura. " Ce sont des cas désespérés. "

Il ajouta, "Je m'intéressais depuis des années au développement de cette technique spécifiquement pour identifier de nouveaux minéraux, parce qu'il y a parfois des chercheurs qui ont un matériau inconnu qu'ils ne peuvent pas résoudre en utilisant l'une des techniques plus conventionnelles. il n'y a que des échantillons individuels de chacun qui ont été identifiés, à ce jour.

La forme de microdiffraction des rayons X Laue utilisée à l'ALS utilise un faisceau de rayons X étroitement focalisé qui couvre une gamme d'énergies pour explorer la structure atomique des matériaux dans des détails exquis. Le faisceau est focalisé à environ un centième du diamètre d'un cheveu humain.

La diffraction des rayons X monocristalline classique fait généralement tourner des échantillons de cristal dans un faisceau de rayons X à une énergie spécifique pour aider à résoudre leur structure atomique, nota Tamura.

Lorsque les échantillons de cristal sont si précieux et si petits que les chercheurs ne peuvent pas facilement les extraire des matériaux environnants sans endommager les cristaux, techniques telles que la diffraction électronique, diffraction des rayons X monocristallin, et la diffraction des rayons X sur poudre sont généralement hors de question.

La technique SLA, pendant ce temps, balaye l'ensemble de l'échantillon sans qu'il soit nécessaire de faire tourner le cristal, le séparer de son environnement, ou le préparer de toute autre manière pour l'étude.

L'ensemble du scan est terminé en quelques minutes, bien que l'analyse des données pour cette technique soit beaucoup plus complexe que pour la diffraction conventionnelle et nécessite une puissance de calcul substantielle. Les chercheurs utilisent des grappes d'ordinateurs au Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique de Berkeley Lab (NERSC) et à sa division de recherche informatique pour traiter les données des expériences de microdiffraction de Laue.

Catherine Déjoie, maintenant scientifique en ligne de lumière à l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), a été embauché en tant que chercheur postdoctoral ALS en 2009 spécifiquement pour développer une méthode d'analyse des données de la technique de microdiffraction de Laue pour résoudre la structure atomique des matériaux. Elle a travaillé en étroite collaboration avec Tamura.

Indices chimiques dans un petit échantillon

Andreï Barkov, directeur du Laboratoire de recherche en minéralogie industrielle et minérale de l'Université d'État de Cherepovets en Russie, a dirigé l'équipe internationale créditée de la découverte d'ognitite et a été l'auteur principal de l'étude sur l'ognitite.

Cette équipe comprenait Tamura et Camelia Stan—Stan était un chercheur à l'ALS qui a participé à l'étude sur l'ognitite mais a depuis quitté le Berkeley Lab. Élise Grenot, un étudiant chercheur de l'École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA), une école d'ingénieur, assiste maintenant Tamura avec la dernière série d'expériences de nouveaux minéraux candidats à l'ALS.

Barkov a découvert la technique développée au Berkeley Lab grâce à sa connexion avec Björn Winkler, professeur à l'Université Goethe de Francfort en Allemagne qui connaissait la technique de l'ALS.

Barkov avait déjà participé à plusieurs autres découvertes minérales réussies, y compris les études qui ont conduit à la reconnaissance formelle de la tatyanaite, edgarite, laflamméite, et menshikovite comme nouveaux minéraux. Mais l'échantillon maintenant connu sous le nom d'ognitite était difficile à confirmer en tant que nouveau minéral bien que sa chimie semblait être unique, a noté Barkov.

"Ce minéral était suspecté d'être potentiellement nouveau sur la base de sa composition, qui est exceptionnellement enrichi en bismuth, " dit-il. " Nous n'avons pu trouver qu'un seul spécimen, comme un petit grain. Le grain est si petit, c'est pourquoi les contributions micro-Laue de Nobu Tamura étaient si importantes."

Il a fallu deux tentatives, y compris une série d'expériences de suivi à l'ALS pour le deuxième effort, recevoir la reconnaissance de l'ognitite comme un minéral unique par la Commission sur les nouveaux minéraux, Nomenclature et classification de l'Association minéralogique internationale (IMA). L'IMA a signalé 5, 413 minéraux reconnus en novembre 2018, et la liste augmente généralement de 30 minéraux ou plus chaque année après examen et approbation par la commission.

L'ognitite contient du nickel, bismuth, et tellure. L'étude note que sa structure cristalline est similaire à un minéral appelé melonite, qui est également composé de nickel et de tellure mais n'est pas associé à une forte concentration de bismuth. Et l'ognitite est chimiquement similaire au minéral tellurohauchecornite, qui est composé de nickel, bismuth, tellure, et le soufre.

Un nouveau minéral porte le nom du complexe minéral Ognit en Sibérie

Barkov a déclaré que le premier choix de l'équipe de découverte d'ognitite était de l'appeler "baïkalite" d'après le lac Baïkal, qui se trouve dans la région où le nouveau minéral a été découvert, mais ce nom n'a pas été approuvé par l'IMA. La commission a plutôt préféré « l'ognitite », car la découverte minérale provenait d'un endroit connu sous le nom de complexe ultramafique d'Ognit dans la région des montagnes Sayan en Sibérie.

Cette formation géologique est connue pour être riche en gisements de métaux, comprenant des éléments rares du groupe du platine, nickel, et chrome.

L'échantillon de maucherite cobaltienne a été récupéré à partir d'arséniures riches en nickel dans le même complexe d'Ognit, Barkov a dit, et mesuraient à peine 20 millionièmes de mètre de diamètre. En raison de sa taille et de sa rareté, "il n'a pu être caractérisé que structurellement" par la technique de la micro-Laue, il a dit.

Son équipe explore ce type de formation dans d'autres parties de la Russie, et les formations rocheuses d'intérêt particulier peuvent varier en taille d'environ un kilomètre à des dizaines de kilomètres, il a dit.

"Nous collectons et examinons, en détail, des milliers de spécimens de roches et d'échantillons de minerai, et bien d'autres grains minéraux, " a-t-il dit. " Grâce à ces efforts, des grains uniques de minéraux potentiellement nouveaux peuvent être trouvés. »

Son équipe utilise généralement des microscopes optiques, microscopes électroniques à balayage, une technique connue sous le nom de spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie, spectroscopie dispersive en longueur d'onde, et la diffraction des rayons X conventionnelle pour étudier des échantillons de minéraux qui ont été collectés sur une période de plusieurs décennies.

De la Russie à l'ALS

Barkov a contacté Björn Winkler pour savoir s'il pouvait créer une forme synthétique d'ognitite, et aussi pour synthétiser d'autres échantillons minéraux.

"Le professeur Winkler a une solide expérience et des installations appropriées dans son laboratoire pour synthétiser de nouveaux composés analogues à des minéraux potentiellement nouveaux, " a déclaré Barkov. Winkler avait déjà établi une collaboration avec Tamura, et Barkov a ensuite contacté Tamura au sujet de la possibilité d'étudier l'échantillon d'ognitite à l'ALS.

Dejoie, qui a aidé à développer les méthodes d'analyse de données pour soutenir l'utilisation de la technique ALS pour étudier la structure de minuscules cristaux, revient à l'ALS presque chaque année pour mener des expériences utilisant cette technique, et d'améliorer les méthodes d'analyse des données. Elle a déclaré que dans ses propres recherches, elle utilise maintenant la technique pour des expériences résolues dans le temps qui suivent la façon dont les matériaux passent d'un état de la matière à un autre.

Alors que la microdiffraction des rayons X Laue n'est pas unique parmi les sources de lumière synchrotron du monde, Dejoie et Tamura ont noté que son application spécialisée à l'ALS et la maturité de ses méthodes d'analyse de données sont uniques.

"Nous avons commencé à regarder de très petits cristaux - des cristaux que vous ne pouvez pas regarder avec une configuration classique, " se souvient Dejoie.

Intérêt grandissant

Elle a noté que la technique peut être utilisée pour résoudre le calendrier des processus tels que les réactions chimiques et les changements structurels des matériaux.

La technique de microdiffraction de Laue sur laquelle elle a travaillé à l'ALS « est une alternative vraiment intéressante à la diffraction électronique, " Dejoie a dit, ou au moins un outil complémentaire pour étudier la structure cristalline, car il peut rapidement rassembler un ensemble complet de données de haute précision.

Elle a noté qu'une adaptation de la microdiffraction de Laue pourrait également être utile pour les études de cristal à des sources lumineuses connues sous le nom de lasers à électrons libres à rayons X (XFEL), qui ont ultracourt, impulsions lumineuses.

« C'est drôle de voir le parallèle – nous utilisions déjà une approche similaire » pour caractériser la structure des cristaux en un seul passage, et sans avoir besoin de les faire pivoter ou de les orienter d'une manière particulière, avant cela a été essayé dans les études XFEL.

Dans une technique XFEL connue sous le nom de « cristallographie en série, " de nombreux échantillons de cristaux sont acheminés vers le trajet d'impulsions de rayons X à énergie étroite. Dans ces expériences, les informations sont recueillies à partir d'impulsions de rayons X individuelles frappant des cristaux orientés au hasard du même type d'échantillon pour développer une structure atomique 3D complète.

Dejoie a été l'auteur principal d'une étude de 2015 détaillant comment la technique de diffraction de Laue consistant à utiliser une impulsion X à large énergie pour frapper simultanément un ou plusieurs cristaux orientés au hasard pourrait être adaptée pour être utilisée dans les XFEL en tant que nouvelle approche « instantanée » du conventionnel. cristallographie en série.

C'est gratifiant, elle a dit, pour apprendre que la technique basée sur le synchrotron pour la microdiffraction de Laue qu'elle a travaillé à développer à l'ALS a été utile pour confirmer un nouveau minéral. "C'est toujours bien de voir quelque chose sur lequel vous travaillez susciter de l'intérêt. Cela signifie que cela se répand, et qu'il y aura peut-être un peu plus de développement et plus de personnes qui y travaillent."

L'ALS et le NERSC sont tous deux des installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science.

L'équipe participant à la découverte de l'ognitite comprenait également des chercheurs de l'Université de Florence en Italie, Université fédérale de Sibérie en Russie, Université McGill au Canada, et le Natural History Museum au Royaume-Uni. L'ALS est soutenu par le DOE Office of Basic Energy Science. Les personnes participant à l'étude ont été accompagnées, en partie, par la Fondation russe pour la recherche fondamentale et le Natural Environment Research Council du Royaume-Uni.