Lorsque les matériaux atteignent des échelles de taille extrêmement petites, des choses étranges commencent à se produire. L'un de ces phénomènes est la formation de mésocristaux.

Bien qu'il soit composé de cristaux individuels séparés, les mésocristaux se réunissent pour former un plus grand, structure fusionnée qui se comporte comme un pur, monocristal. Cependant, ces processus se produisent à des échelles bien trop petites pour que l'œil humain puisse les voir et leur création est extrêmement difficile à observer.

En raison de ces défis, les scientifiques n'avaient pas été en mesure de confirmer exactement comment les mésocristaux se forment.

Désormais, de nouvelles recherches menées par une équipe dirigée par le Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont utilisé des techniques avancées de microscopie électronique à transmission (MET) pour voir les mésocristaux se former en solution en temps réel. Ce qu'ils ont vu va à l'encontre de la sagesse conventionnelle et leurs idées pourraient un jour aider les scientifiques à concevoir des matériaux pour le stockage d'énergie et à comprendre comment les minéraux se forment dans le sol.

Plutôt que la nucléation de cristaux individuels, l'étape qui commence la formation des cristaux, puis agrégation aléatoire en mésocristaux en deux étapes indépendantes, les chercheurs ont observé que la nucléation et l'attachement étaient étroitement couplés pour former ces structures hautement uniformes. Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux le 18 février numéro 2021 de La nature .

"Nos résultats identifient une nouvelle voie importante de cristallisation par fixation de particules et résolvent des questions clés sur la formation de mésocristaux, " a déclaré le PNNL et le scientifique des matériaux de l'Université de Washington Guomin Zhu. Il faisait partie de l'équipe de recherche dirigée par Jim De Yoreo, Scientifique des matériaux du PNNL et co-directeur du Northwest Institute for Materials Physics, Chimie, et la technologie. "Nous soupçonnons qu'il s'agit d'un phénomène répandu avec des implications importantes à la fois pour la synthèse de nanomatériaux conçus et pour la compréhension de la minéralisation naturelle, " Zhu a ajouté.

Voir la cristallisation en temps réel

Le projet a pris des années à s'exécuter et a nécessité la résolution de problèmes importants. Pour les expériences de microscopie, l'équipe scientifique a choisi un système modèle incluant de l'hématite, un composé de fer que l'on trouve couramment dans la croûte terrestre, et oxalate, un composé naturellement abondant dans le sol.

Ils ont visualisé le processus à l'aide de MET in situ, ce qui donne aux chercheurs la possibilité de voir la cristallisation à l'échelle nanométrique au fur et à mesure qu'elle se produit. Ils ont combiné cette méthode en temps réel avec la MET « congeler et regarder » qui leur a permis de suivre un cristal individuel à différents points de la croissance. Des calculs théoriques ont permis de compléter le tableau, permettant à l'équipe du PNNL de reconstituer la croissance des mésocristaux.

Les chercheurs exécutent généralement la plupart des expériences MET in situ à température ambiante pour simplifier la configuration expérimentale et minimiser le risque d'endommager l'instrument sensible, mais la formation de mésocristaux suffisamment rapide pour être observée se produit à environ 80 °C.

« L'équipement supplémentaire utilisé pour chauffer les échantillons a rendu les expériences extrêmement difficiles, mais nous savions que les données seraient la clé pour comprendre comment les mésocristaux se formaient, " dit Zhu.

Une fois chauffé, les nouveaux nanocristaux d'hématite leur permettent de s'attacher facilement et rapidement, ce qui mène, en moyenne, en mésocristaux finaux d'environ la même taille et la même forme.

Mésocristaux dans la nature

La clé chimique de ce rapide, une fixation fiable est constituée par les molécules d'oxalate présentes dans la solution. Après la formation des premiers petits cristaux, les additifs d'oxalate aident à créer un gradient chimique à l'interface du liquide et du cristal en croissance. Plus de composants chimiques nécessaires à la nucléation des particules s'attardent près des cristaux, ce qui augmente considérablement la probabilité que de nouvelles particules se forment à proximité de celles existantes.

Alors que cette voie de croissance cristalline a été observée dans des conditions contrôlées à très petite échelle, il se produit probablement aussi dans les systèmes naturels, selon les chercheurs. Certains gisements minéraux, dont un gisement d'hématite australien, contiennent des mésocristaux. Compte tenu de l'abondance naturelle de l'oxalate et de l'observation de l'équipe du PNNL selon laquelle l'hématite peut devenir des mésocristaux à des températures aussi basses que 40 °C, il semble plausible que cette voie de formation se produise dans la nature.

Parce que les mésocristaux se trouvent dans toute la nature, les résultats peuvent être appliqués à la compréhension du cycle des nutriments dans l'environnement, entre autres applications. De plus, la voie vers la création de structures complexes presque uniformes nécessite une compréhension du fonctionnement des méthodes de formation de tels matériaux et de leur contrôle. Ainsi ce travail, soutenu par le département américain de l'Énergie, Bureau des sciences, Bureau des sciences fondamentales de l'énergie, Division des sciences chimiques, Géosciences, et Biosciences, ouvre de nouvelles possibilités pour créer intentionnellement des mésocristaux ou des matériaux de type mésocristal.