Deux nouvelles techniques, vidéo en temps réel à résolution atomique et confinement conique de nanotubes de carbone, permettre aux chercheurs de visualiser des détails inédits sur la formation des cristaux. Les observations confirment les prédictions théoriques sur la formation des cristaux de sel et pourraient éclairer les théories générales sur la manière dont la formation des cristaux produit différentes structures ordonnées à partir d'un mélange chimique autrement désordonné.

Les cristaux contiennent beaucoup de choses familières, comme des flocons de neige, des grains de sel et même des diamants. Ce sont des arrangements réguliers et répétés de molécules constitutives qui se développent à partir d'une mer chaotique de ces molécules. Le processus de croissance de cet état désordonné à un état ordonné est connu sous le nom de nucléation, et bien qu'il ait été étudié pendant des siècles, les événements exacts au niveau atomique n'ont jamais été confirmés expérimentalement, jusqu'à maintenant.

Il ne suffit pas de pouvoir voir des molécules au niveau atomique – cette capacité est avec nous depuis quelques décennies maintenant. Le problème avec la croissance d'un cristal est que, c'est un processus dynamique et les observations de son développement sont aussi importantes que les observations de sa structure. Heureusement, des chercheurs du département de chimie de l'Université de Tokyo ont résolu ce problème avec leur technique de microscopie électronique en temps réel à résolution atomique à molécule unique, ou SMART-EM. Cela capture les détails des processus chimiques à 25 images par seconde.

"Un de nos étudiants en master, Masaya Sakakibara, utilisé SMART-EM pour étudier le comportement du chlorure de sodium (NaCl)-sel, " a déclaré le professeur assistant du projet Takayuki Nakamuro. " Pour maintenir les échantillons en place, nous utilisons des nanocornes de carbone d'épaisseur atomique, l'une de nos précédentes inventions. Avec les superbes vidéos capturées par Sakakibara, nous avons immédiatement remarqué l'opportunité d'étudier les aspects structurels et statistiques de la nucléation cristalline avec des détails sans précédent."

Nakamuro et son équipe ont regardé les vidéos que Sakakibara avait capturées et ont été les premiers à voir de minuscules cristaux cuboïdes constitués de dizaines de molécules de NaCl émergeant du mélange chaotique d'ions sodium et chlorure séparés. Tout de suite, ils ont remarqué un modèle statistique dans la fréquence à laquelle les cristaux ont émergé; il a suivi ce qu'on appelle une distribution normale, qui a longtemps été théorisé mais seulement maintenant vérifié expérimentalement.

"Le sel n'est que notre première substance modèle pour sonder les principes fondamentaux des événements de nucléation, " a déclaré le professeur d'université Eiichi Nakamura. " Le sel ne cristallise que dans un sens. Mais d'autres molécules, comme le carbone, peut se cristalliser de multiples façons, conduisant au graphite ou au diamant. C'est ce qu'on appelle le polymorphisme et personne n'a vu les premiers stades de la nucléation qui y conduit. J'espère que notre étude fournira la première étape pour comprendre le mécanisme du polymorphisme."

L'équipe n'a pas seulement en tête les diamants; le polymorphisme dans la croissance cristalline est également un processus essentiel dans la production de certains composants pharmaceutiques et électroniques.