Alors que les cristaux ont été étudiés pendant des siècles et sont omniprésents dans la vie quotidienne, ils sont dans nos os, la nourriture que nous mangeons et les piles que nous utilisons - les scientifiques ne comprennent toujours pas complètement comment les cristaux se développent ou comment les fabriquer efficacement. Par conséquent, efforts scientifiques pour améliorer une large gamme de matériaux cristallins, des biomatériaux auto-cicatrisants aux panneaux solaires, ont été limités.

Des chercheurs de l'Université de l'Illinois à Chicago ont percé une partie de ce mystère. En utilisant des simulations informatiques pour analyser comment les atomes et les molécules se déplacent dans une solution, l'équipe de l'UIC a identifié un mécanisme général régissant la croissance cristalline que les scientifiques peuvent manipuler lors du développement de nouveaux matériaux.

Spécifiquement, ils ont découvert que lorsque les molécules cristallisantes sont entourées d'un solvant, comme l'eau, les molécules de solvant forment un bouclier qu'ils appellent une coquille de solvatation. Quand ce bouclier fluctue, les molécules peuvent se libérer pour former des cristaux. Ils ont également montré que la température, le type de solvant et le nombre de molécules de solvant affectent tous la fluctuation de la coquille.

Leurs découvertes sont publiées dans la revue Actes de l'Académie nationale des sciences .

"Pour la première fois, nous avons montré ce qui se passe lorsqu'une molécule quitte un solvant pour former un cristal, " dit Meenesh Singh, auteur principal et professeur adjoint de génie chimique à l'UIC College of Engineering. « Dans les bonnes conditions, le bouclier « danse » autour et permet aux molécules de se libérer et de s'intégrer à la surface du cristal. Les fluctuations de la couche de solvatation sont des événements moléculaires clés qui expliquent la formation des cristaux - la connaissance de ce mécanisme fait défaut depuis le début de la recherche sur la cristallisation. »

Singh a déclaré que la compréhension de ce mécanisme fournira aux scientifiques une plus grande capacité à diriger des molécules pour former des cristaux pour une structure spécifique, forme et taille. « Cela nous permettra de fabriquer de meilleurs matériaux pour une large classe de produits utilisés dans la vie quotidienne, " il a dit.

Quelques exemples, il a dit, sont des implants osseux pour favoriser la biominéralisation, de meilleurs systèmes d'administration de médicaments, batteries au lithium plus stables, et l'amélioration des semi-conducteurs et des produits chimiques agricoles.

"Les connaissances moléculaires obtenues grâce à cette étude permettront également d'économiser de l'argent dans diverses industries chimiques en réduisant le besoin de techniques aléatoires dans des milliers d'essais, " a déclaré Anish Dighe, étudiant diplômé de l'UIC, co-auteur de l'article. "Avec l'aide de cette étude, nous pouvons maintenant concevoir des systèmes capables de cristalliser la molécule de soluté souhaitée sans autant d'essais."