Vous avez entendu l'expression « la forme suit la fonction » ? En science des matériaux, la fonction suit la forme.

Une nouvelle recherche d'Olivier Gagné de Carnegie et de son collaborateur Frank Hawthorne de l'Université du Manitoba catégorise les causes de l'asymétrie structurelle, certains surprenants, qui sous-tendent les propriétés utiles des cristaux, dont la ferroélectricité, photoluminescence, et la capacité photovoltaïque. Leurs conclusions sont publiées cette semaine sous la forme d'un article principal dans le Journal de l'Union internationale de cristallographie .

« Comprendre comment différents arrangements de liaison transmettent divers attributs utiles est au cœur des sciences des matériaux », a expliqué Gagné. « Pour ce projet, nous étions particulièrement intéressés par ce que les variations de longueurs de liaison signifient pour les caractéristiques les plus excitantes d'un matériau, et sur la façon de créer un cadre pour leur optimisation. »

Il s'agissait du cinquième et dernier volet d'une série d'articles de Gagné et Hawthorne examinant la variabilité des longueurs de liaison des structures cristallines. Cette fois-ci, ils se sont concentrés sur des composés constitués d'oxygène et d'éléments de la catégorie des métaux de transition.

Imaginez le tableau périodique. Les métaux de transition constituent son bloc central, formant un pont reliant les plus hautes tours d'éléments sur les côtés gauche et droit.

Comme tous les métaux, ils peuvent conduire un courant électrique. Ils ont également une vaste gamme de propriétés chimiques et physiques, y compris l'émission de lumière visible, malléabilité, et le magnétisme. De nombreux, comme l'or, platine, et l'argent sont prisés pour leur valeur. Autres, y compris le fer, nickel, le cuivre, et le titane sont cruciaux pour les outils et les technologies.

La capacité des métaux de transition à former une variété de composés utiles est due en grande partie à la configuration tridimensionnelle particulière de leurs électrons. En tant que tel, les liaisons qu'ils forment dans les composés peuvent être largement asymétriques. Mais Gagné et Hawthorne voulaient comprendre si d'autres causes de variation de la longueur des liaisons étaient en jeu.

« C'est un problème vieux d'un siècle, explique Gagné. "Des personnalités comme Linus Pauling et Victor Goldschmidt ont fait de ce sujet l'un de leurs principaux intérêts de recherche ; cependant, les données n'étaient tout simplement pas là à l'époque."

Gagné et Hawthorne ont analysé les données sur les longueurs de liaison de 63 ions de métaux de transition différents liés à l'oxygène dans 147 configurations de 3, 814 structures cristallines et développé deux nouveaux indices pour contextualiser les liaisons asymétriques.

« Ces indices nous permettent d'identifier les différentes raisons qui sous-tendent les montages asymétriques de collage, qui, espérons-le, nous permettra d'exploiter les propriétés qu'ils véhiculent lors de la prédiction et de la synthèse de nouveaux matériaux, " expliqua Hawthorne.

A leur grande surprise, ils ont constaté que la structure interne des cristaux se déforme souvent spontanément en fonction uniquement de la connectivité de son réseau de liaisons, un effet qu'ils montrent se produit plus fréquemment qu'une distorsion causée par des effets électroniques ou tout autre facteur.

« Nous avons suspecté une certaine variation de la longueur des liaisons due aux contrôles de la structure cristalline, mais nous ne nous attendions pas à ce que ce soit le principal facteur sous-jacent à la variation de la longueur des liaisons dans les solides inorganiques, " expliqua Gagné. "C'est un mécanisme qui est entièrement séparé et non pris en compte par les notions actuelles de la chimie du solide; c'est ce qui a été négligé depuis les premiers jours de la cristallographie."