A l'interface entre la chimie et la physique, le processus de cristallisation est omniprésent dans la nature et l'industrie. Il est à la base de la formation des flocons de neige mais aussi de certains principes actifs utilisés en pharmacologie. Pour que le phénomène se produise pour une substance donnée, celle-ci doit d'abord passer par une étape appelée nucléation, au cours de laquelle les molécules s'organisent et créent les conditions optimales pour la formation de cristaux. S'il était difficile d'observer la dynamique de la prénucléation, ce processus clé vient d'être révélé par les travaux d'une équipe de recherche de l'Université de Genève (UNIGE). Les scientifiques ont réussi à visualiser ce processus par spectroscopie en temps réel et à l'échelle micrométrique, ouvrant la voie à la conception de substances actives plus sûres et plus stables. Ces résultats peuvent être trouvés dans les Actes de l'Académie nationale des sciences (PNAS ).

La cristallisation est un procédé chimique et physique utilisé dans de nombreux domaines, de l'industrie pharmaceutique à l'agroalimentaire. Il est utilisé pour isoler une substance gazeuse ou liquide sous forme de cristaux. Cependant, ce phénomène n'est pas propre à l'industrie; il est omniprésent dans la nature et peut être vu, par exemple, dans les flocons de neige, le corail ou les calculs rénaux.

Pour que les cristaux se forment à partir de substances, ils doivent d'abord passer par une étape cruciale appelée nucléation. C'est au cours de cette première phase que les molécules commencent à s'arranger pour former des « noyaux », amas stables de molécules, ce qui conduit au développement et à la croissance de cristaux. Ce processus se produit de manière stochastique, ce qui signifie qu'il n'est pas prévisible quand et où un noyau se forme. "Jusqu'à présent, les scientifiques ont eu du mal à visualiser cette première étape au niveau moléculaire. L'image microscopique de la nucléation des cristaux a fait l'objet d'intenses débats. Des études récentes suggèrent que les molécules semblent former une organisation désordonnée avant la formation des noyaux. l'ordre cristallin qui s'en dégage ? C'est une grande question », explique Takuji Adachi, maître de conférences au Département de physico-chimie de la Faculté des sciences de l'UNIGE.

Capturer un événement de nucléation cristalline à la fois

L'équipe de Takuji Adachi, appuyée par deux chercheuses du Département de chimie de l'Université McGill (Nathalie LeMessurier et Lena Simine), a franchi une étape décisive en réussissant à observer le processus de nucléation d'un cristal individuel à l'échelle micrométrique par spectroscopie optique. "Nous avons réussi à démontrer et à visualiser l'organisation et la formation des agrégats moléculaires qui précèdent la cristallisation", explique Johanna Brazard, chercheuse au Département de chimie physique et co-première auteure de la recherche.

Pour observer ce phénomène, les scientifiques ont combiné la microspectroscopie Raman - une technique basée sur l'interaction de la lumière avec la matière pour obtenir des informations sur sa composition - et le piégeage optique. "Nous avons utilisé des lasers pour mettre en évidence la structure moléculaire lors de la nucléation mais aussi pour induire le phénomène de nucléation et ainsi pouvoir l'observer et enregistrer son empreinte spectrale", explique Oscar Urquidi, doctorant au Département de chimie physique et co-premier auteur de cette recherche. La substance modèle choisie pour mener ces expériences était la glycine, un acide aminé qui est un élément constitutif essentiel de la vie, dissous dans l'eau.

« Nos travaux ont révélé une étape de cristallisation qui était auparavant invisible, précise Takuji Adachi. Visualiser plus précisément et mieux comprendre ce qui se passe au niveau moléculaire est très utile pour diriger plus efficacement certaines manipulations. Cette découverte pourrait notamment faciliter l'obtention de structures cristallines plus pures et plus stables pour certaines substances entrant dans la conception de nombreux médicaments ou matériaux. + Explorer plus loin

Formation de glace sur les surfaces améliorée via un processus de nucléation non classique