Imaginez essayer de construire un édifice de type Colisée, comprenant des arches, voûtes et saillies diverses - tout en respectant deux règles strictes :Un seul type de brique peut être utilisé, et ces briques doivent être placées avec précision, l'un contre l'autre, dans une disposition symétrique. Même un peu de décalage n'est pas autorisé. Au mieux, vous seriez en mesure d'ériger une tour de grande hauteur chambrée. La nature a des lois similaires pour la construction des monocristaux.

Les règles de formation des célibataires, les cristaux moléculaires sont si stricts - ils doivent être tranchants, continu, structures à un seul compartiment - qu'il est inconcevable d'imaginer que ces principes soient brisés. Jusqu'à maintenant, C'est. Les chercheurs du Weizmann Institute of Science ont réussi à créer des structures qui sont un paradoxe complet :unique, cristaux continus qui ont plusieurs domaines, une forme asymétrique et des lignes courbes; ils sont aussi complexes que l'on pourrait s'y attendre d'une structure « monumentale ». Cette classe unique de matières organiques a été récemment signalée dans Communication Nature .Parce que la structure cristalline joue un rôle essentiel dans la détermination des propriétés d'un matériau, les scientifiques de Weizmann prévoient d'étudier plus avant ces nouvelles structures et d'appliquer leur approche d'assemblage spéciale à différents types de « briques moléculaires » qui peuvent aider à créer des matériaux cristallins hautement polyvalents.

Faisons le twist

Il y a beaucoup de problèmes ouverts dans l'ingénierie cristalline, bien que certains remontent à l'œuvre de Louis Pasteur au XIXe siècle - par exemple, comment contrôler la croissance des cristaux pour qu'ils aient une taille et une forme uniformes, ou comment contrôler la chiralité. Les molécules chirales sont identiques dans leur composition mais se présentent sous deux formes d'image miroir qui, comme des mains, apparaissent en versions "gauche" ou "droite" non superposables. Les formations cristallines chirales peuvent être hélicoïdales - en spirale dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, en fonction de la « maniabilité » des molécules.

les scientifiques de l'Institut Weizmann, dirigé par l'étudiante postdoctorale italienne Dr. Maria Chiara di Gregorio, Scientifique principal Dr. Michal Lahav et Prof. Milko van der Boom, l'ensemble du département de chimie organique, ont abordé ces questions. Au cours des années, ils ont perfectionné leur méthode de création de monocristaux d'aspect très complexe, et ils ont maintenant ajouté une touche, littéralement. Les structures cristallines qu'ils ont créées ont la forme d'un yo-yo, avec les deux moitiés en spirale dans des directions opposées ; au-dessus de cette structure, l'apparence des deux disques eux-mêmes est semblable à une fleur, avec de nombreux "pétales" chiraux poussant autour d'un "stigmate" au centre. "C'est surprenant, puisque les « blocs de construction » sont tous symétriques, molécules non chirales, " dit di Gregorio. " L'apparence en forme de pétale suggère que ces « devraient être » des structures polycristallines, c'est-à-dire possédant plusieurs « chambres » - plutôt que des monocristaux. »

Pour comprendre comment cela s'est envolé, la structure chirale est issue de molécules non chirales, les scientifiques ont utilisé plusieurs techniques pour examiner les cristaux à trois niveaux différents :le niveau morphologique (forme 3D), le niveau moléculaire, puis à un niveau quelque part entre les deux :la distribution de la densité électronique.

En utilisant la microscopie électronique à balayage, ils ont pu interpréter quatre stades de croissance cristalline qui pourraient être définis au niveau morphologique. « Cuissonner » des molécules organiques avec des atomes de métal en solution à la bonne température donne des résultats informes, structures cylindriques non chirales. Ce sont les « boutons floraux » qui, dans les étapes suivantes, transformer en objets chiraux. D'abord, ils se développent en deux structures hexagonales torsadées, et les pétales commencent alors à pousser et s'arrangent de manière asymétrique sur la surface supérieure des deux hexagones à la manière d'une hélice, prendre un sens horaire ou antihoraire. Dans la phase finale, les cristaux se développent dans la structure yo-yo bien définie, avec ses multiples domaines lui donnant l'apparence d'une fleur.

En étudiant davantage la structure à l'aide de la tomodensitométrie (micro-CT) - une méthode non conventionnelle dans l'analyse 3D des cristaux organo-métalliques - les scientifiques ont révélé des détails cachés du niveau de distribution de la densité électronique "entre les deux". En effet, les mesures révèlent un motif en spirale unique continu couvrant toute la structure de base à base, suggérant que malgré la forme complexe, c'est un cristal chiral unique.

Au niveau moléculaire, Rayons X appliqués par le Dr Linda Shimon du Département de soutien à la recherche chimique, a clairement montré la structure cristalline et a fourni des preuves concluantes de la composition monocristalline des yo-yo complexes. Les clichés aux rayons X ont également révélé des "escaliers en colimaçon" - poreux, canaux chiraux qui s'étendent sur toute la structure de haut en bas.

Ces cristaux tordus étaient si contraires à la nature que les chercheurs ont fait confirmer indépendamment la structure par un cristallographe de New York.

Utiliser les nouveaux cristaux

"Ces résultats sont passionnants à un niveau fondamental, comme nous avons réussi à créer une classe de matériau tout à fait unique, " dit van der Boom. Les résultats pourraient trouver des applications, il ajoute, dans la conception de nouveaux matériaux poreux, par exemple pour le stockage de carburants respectueux de l'environnement comme l'hydrogène, ou pour capter le dioxyde de carbone de l'atmosphère. Et ils pourraient également être utilisés pour améliorer la catalyse dans divers processus chimiques.