Une équipe de chercheurs de l'Université de Tokyo et de l'Université de Fudan a étudié le processus de cristallisation lorsque plus d'un arrangement structurel est possible. En réduisant le bruit des fluctuations aléatoires, ils ont découvert que les précurseurs transitoires des divers ordres cristallins coexistent et rivalisent les uns avec les autres. Ce travail peut aider à conduire à des méthodes d'ingénierie cristalline plus efficaces.

L'une des expositions les plus populaires de tout musée de géologie est la section du cristal. Grand, appartement, les faces rectangulaires ou tétraédriques d'un cristal élégant reflètent les motifs moléculaires sous-jacents. A y regarder de plus près, certains spécimens s'avèrent être des mosaïques de formes différentes, montrant que les mêmes atomes peuvent s'arranger de multiples façons, appelé polymorphisme. En réalité, tous les cristaux ne font que répéter des arrangements d'atomes ou de particules plus grosses qui se développent généralement à partir de graines plus petites. Ces graines servent de modèles initiaux qui permettent aux nouvelles particules de se fixer aux emplacements appropriés. Cependant, lorsque plusieurs structures présentent des stabilités similaires, le processus de cristallisation peut devenir extrêmement complexe.

Pour mieux comprendre cela, des chercheurs de l'Université de Tokyo et de l'Université de Fudan ont étudié un système expérimental composé de sphères colloïdales uniformes de poly(méthacrylate de méthyle). En utilisant la microscopie confocale, qui permet de suivre les positions 3-D de nombreuses particules simultanément, avec de puissants algorithmes informatiques, l'équipe a observé un mélange bouillonnant de structures concurrentes qui se brisaient et se reformaient constamment.

Chaque type de précurseur d'ordonnancement cristallin était en compétition pour amorcer la croissance de ce type de structure. Les scientifiques ont découvert que les structures intermédiaires avant la fin de la cristallisation se sont avérées être des mélanges d'ordres locaux de courte durée et fréquemment transformés les uns dans les autres. « La concurrence entre les différents ordres de cristaux a lieu localement et peut être masquée par de grandes fluctuations de position, ", explique l'auteur principal Peng Tan.

Pour surmonter ce bruit, l'équipe a dû utiliser des méthodes de calcul pour classer correctement les différentes structures. La coexistence spatiale des phases, ainsi que des fluctuations temporelles nouvellement découvertes d'ordres concurrents, montre que le désordre est une caractéristique intrinsèque des précurseurs cristallins.

"Notre méthode fournit l'image la plus claire à ce jour de la compétition qui peut exister entre les différentes formes cristallines dans un même échantillon, ", déclare l'auteur principal Hajime Tanaka. "Cette recherche pourrait ouvrir la voie à de nouvelles approches pour la production industrielle de matériaux cristallins."

L'ouvrage est publié dans Avancées scientifiques comme "Révéler les rôles des commandes structurelles locales concurrentes dans la cristallisation des systèmes polymorphes."