La cristallisation décrit la formation de structures ordonnées à partir des constituants désordonnés d'un liquide. Bien que la théorie fondamentale de la formation des cristaux ait été largement étudiée et soit généralement bien établie, des lacunes dans la compréhension demeurent. Des chercheurs de l'Université de Tokyo, Institut des sciences industrielles, et l'Université métropolitaine de Tokyo ont rapporté des résultats expérimentaux qui révèlent un couplage entre les transitions de phase qui conduit à une amélioration drastique de la formation de cristaux. Leurs conclusions sont publiées dans PNAS .

Dans un liquide, même les liquides constitués d'un seul composant, il peut y avoir plusieurs phases distinctes avec des propriétés différentes. Des variations dans les conditions expérimentales peuvent faire passer le liquide d'une de ces phases à une autre dans un processus appelé transition liquide-liquide (LLT). Si ces transitions se produisent juste en dessous du point de fusion du cristal, ils peuvent affecter sa formation initiale, connu sous le nom de nucléation. Cependant, le mécanisme de ces effets et l'applicabilité générale de ces observations restent inconnus.

Les chercheurs rapportent un couplage significatif de la cristallisation et de la LLT pour le phosphite de triphényle liquide moléculaire. Par recuit - refroidissement et maintien - du liquide à des températures liées à la LLT du matériau, ils ont pu augmenter considérablement la vitesse de nucléation et la fréquence de la cristallisation ultérieure.

"Nous avons pu séparer les facteurs cinétiques et thermodynamiques qui contribuent à la formation des cristaux, ", explique l'auteur principal de l'étude, Rei Kurita. "Les LLT causées par le recuit entraînent des changements dans l'ordre local des molécules. En raison du lien que nous avons identifié entre cristallisation et LLTs, ces changements provoquent des changements similaires dans la phase cristalline, ce qui abaisse l'énergie entre les phases cristalline et liquide, ce qui facilite la nucléation des cristaux. Nous espérons que nos découvertes pourront être utilisées comme une poignée pour diriger le comportement de cristallisation."

En plus de conduire au contrôle et à l'adaptation des effets de cristallisation, les chercheurs pensent que leurs découvertes pourraient également être utilisées pour sonder les propriétés des matériaux en identifiant les LLT dans les matériaux où leurs effets sont masqués par la cristallisation. Par exemple, l'approche pourrait être utilisée pour acquérir une meilleure compréhension de l'eau, silicium, germanium, et les systèmes liquides métalliques.

"Nos résultats fournissent des informations utiles pour comprendre et contrôler la cristallisation, ", explique l'auteur de l'étude, Hajime Tanaka. "Nous pensons que nos travaux pourraient avoir des implications importantes à la fois pour les études fondamentales et les applications industrielles; par exemple, pour obtenir des cristaux de protéines à utiliser dans la recherche sur les maladies, ou dans des matériaux nanocristallins pour une utilisation en technologie.