Il y a un million d’années, la plus ancienne espèce connue à marcher debout comme un humain, l’Homo erectus, avait une fascination semblable à celle des humains pour les cristaux. Les historiens peuvent même en identifier les raisons possibles (les cristaux ne ressemblaient à rien à l'époque) :les arbres, les vallées, les montagnes. Les cristaux étaient un matériau de réflexion, une diversion fascinante pour l'esprit.

À ce jour, la préoccupation humaine pour la magie des cristaux continue de remplir l'esprit des scientifiques qui ont développé des moyens d'utiliser les cristaux pour tout, des remèdes contre le paludisme aux cellules solaires et aux semi-conducteurs, en passant par les catalyseurs et les éléments optiques. Au fil des années, les cristaux sont devenus des éléments essentiels des technologies qui permettent la civilisation moderne.

Peter Vekilov, chercheur à l'Université de Houston, et Frank Worley, professeur de génie chimique et biomoléculaire, ont publié dans PNAS une réponse à la façon dont les cristaux se forment et comment les molécules en font partie.

"Depuis des décennies, les chercheurs en croissance cristalline rêvent d'élucider la réaction chimique entre les molécules entrantes et les sites uniques sur la surface cristalline qui les acceptent, les plis", a déclaré Vekilov. "Le mécanisme de cette réaction, c'est-à-dire l'échelle de temps et de longueur caractéristiques, les intermédiaires possibles et leurs stabilités, est resté insaisissable et sujet à spéculation pendant plus de 60 ans."

Le principal obstacle à une compréhension plus approfondie a été le manque de données sur la manière dont les molécules s'intègrent, liée au processus complexe de passage de la solution à l'endroit où elles se développent.

Pour comprendre la réaction chimique entre une molécule qui se dissout dans un liquide (soluté) et un pli, Vekilov a mobilisé deux stratégies de transformation, l'une utilisant des paires organiques complètes et la seconde utilisant quatre solvants aux structures et fonctions distinctes. En travaillant avec les molécules, il a combiné des techniques expérimentales de pointe, notamment la microscopie à force atomique in situ à résolution temporelle à une résolution quasi moléculaire, la diffraction des rayons X, la spectroscopie d'absorption et la microcopie électronique à balayage.

C'est alors que Vekilov a fait une découverte révolutionnaire :l'incorporation dans les nœuds peut se produire en deux étapes divisées par un état intermédiaire et la stabilité de cet état intermédiaire est la clé de la croissance des cristaux. Il décide essentiellement de la rapidité ou de la lenteur avec laquelle les cristaux se forment, car cela affecte la facilité avec laquelle les éléments peuvent se joindre au processus.

Bien que les nouvelles découvertes ne remontent pas à l'époque de l'Homo sapien, elles résolvent une énigme vieille de 40 ans pour Vekilov.

"Les notions d'état intermédiaire et de son rôle décisif dans la croissance cristalline réfutent et remplacent l'idée dominante dans le domaine, évoquée par A.A. Chernov, mon directeur de thèse, selon laquelle la barrière d'activation pour la croissance est déterminée par le système soluté-solvant. interactions dans la masse de la solution", a-t-il déclaré.

Le nouveau paradigme de l'incorporation en deux étapes, médiée par un état intermédiaire, pourrait aider à comprendre comment de petites parties d'un liquide peuvent influencer les formes détaillées des cristaux trouvés dans la nature.

"Tout aussi important, ce paradigme guidera la recherche de solvants et d'additifs qui stabilisent l'état intermédiaire pour ralentir la croissance, par exemple, de polymorphes indésirables", a déclaré Vekilov.

L'équipe de Vekilov comprend Jeremy Palmer, Ernest J et Barbara M Henley, professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire ; les anciens étudiants diplômés Rajshree Chakrabarti et Lakshmanji Verma ; et Viktor G. Hadjiev, Texas Center for Superconductivity à l'UH.

Plus d'informations : Rajshree Chakrabarti et al, Les réactions élémentaires pour l'incorporation dans les cristaux, Actes de l'Académie nationale des sciences (2024). DOI :10.1073/pnas.2320201121

Fourni par l'Université de Houston