Comme deux aimants attirés l'un vers l'autre, de minuscules cristaux se tordent, aligner et s'entrechoquer, mais en raison d'une force tout à fait différente. Pour la première fois, les chercheurs ont mesuré la force qui les rapproche et visualisé comment ils pivotent et s'alignent.

Appelées forces de van der Waals, l'attraction donne un aperçu de la façon dont les cristaux s'auto-assemblent, une activité qui se produit dans un large éventail de cas dans la nature, des roches aux coquillages en passant par les os.

"C'est provocateur dans le sens où à partir de ce genre de mesures on peut construire un modèle d'assemblage 3D, avec des particules s'attachant les unes aux autres de manière choisie comme des briques Lego, " a déclaré le chimiste Kevin Rosso du Pacific Northwest National Laboratory du ministère de l'Énergie. " Les cristaux sont presque partout dans la nature, et ce travail nous aidera à tirer parti de ces forces lorsque nous concevons de nouveaux matériaux."

Force de fusion

Les cristaux forment des structures de support dans une variété de matériaux naturels et synthétiques. Des cristaux plus gros peuvent s'accumuler à partir de plus petits. Bien que généralement en forme de cubes, les cristaux ont plusieurs faces différentes, dont certains s'accordent bien les uns avec les autres et d'autres non. Lorsque les côtés correspondants sont correctement orientés, les cristaux peuvent fusionner de façon transparente, de plus en plus gros.

Mais qu'est-ce qui fait que les cristaux se rapprochent suffisamment pour fusionner en premier lieu, et peuvent-ils s'auto-aligner ? De nombreux types de forces ont été évoqués au fil des ans, mais les outils pour affiner les bons n'ont pas existé.

Maintenant, Rosso et les équipes du PNNL, EMSL, le Laboratoire des sciences moléculaires de l'environnement, une installation utilisateur du DOE Office of Science au PNNL, et l'Université de Pittsburgh a développé une nouvelle approche en combinant un microscope électronique à transmission environnemental, appelé ETEM, avec des sondes de force nanocristallines qui permettent aux scientifiques de regarder les cristaux interagir dans une situation réaliste. le chimiste post-doctorant du PNNL Xin Zhang et l'utilisateur de l'EMSL Yang He, un doctorat étudiant de l'Université de Pittsburgh, utilisé des ressources au sein de l'EMSL pour examiner comment les cristaux d'oxyde de titane se couplent.

Pour comprendre leur expérience, imaginez tenir deux aimants et les déplacer l'un vers l'autre. Quand ils sont si proches que la force d'attraction surmonte l'effort que vous utilisez pour les maintenir séparés, ils sauteront ensemble. L'équipe du PNNL l'a fait, mais à une échelle beaucoup plus petite et avec une force qui n'est pas du magnétisme.

Un petit saut

L'équipe avait besoin d'utiliser de très petits cristaux qui ne submergeraient pas les forces faibles qu'ils s'attendaient à voir. Ils ont attaché des cristaux d'oxyde de titane cent à mille fois plus fins qu'un cheveu humain (selon les cheveux) de chaque côté d'un instrument qui mesure la force. L'équipe a ensuite déplacé les cristaux l'un vers l'autre, tordu à plusieurs angles différents entre eux, jusqu'à ce que les deux s'emboîtent.

L'équipe a également séparé les cristaux et mesuré la force nécessaire. Ces mesures ont permis aux chercheurs de caractériser la force en détail. Il existe plusieurs types de forces différentes qui fonctionnent pour des objets de cette taille, et avec des analyses supplémentaires, l'équipe a conclu que des forces appelées van der Waals étaient celles à l'œuvre causant l'auto-alignement.

Et une torsion

En outre, ils voulaient mettre un visage sur un nom, en quelque sorte, d'une prédiction théorique des forces de van der Waals faite dans les années 1970. La théorie a permis aux scientifiques de calculer le couple entre les cristaux qui sont tordus les uns par rapport aux autres (imaginez tordre une baguette pour retirer un morceau de pain) en fonction de l'angle entre eux.

L'équipe a donc également mesuré la force entre deux cristaux maintenus à une distance constante l'un de l'autre mais tordus dans des directions opposées l'un de l'autre. La physicienne computationnelle co-auteur Maria Sushko a comparé les données aux prédictions de la théorie et a montré que la théorie tenait le coup.

"C'est la première mesure et preuve que la force dépend de la façon dont les cristaux sont tournés les uns par rapport aux autres, ce que nous appelons dépendant de la rotation, " a déclaré Rosso. " S'ils sont dépendants en rotation, cela implique que cette force contribuera à aligner les cristaux libres qui se heurtent dans un environnement liquide, par exemple, augmenter le taux de réussite du collage."

En outre, prouver la connexion signifie qu'il sera plus facile de déterminer de telles forces d'attraction pour des cristaux faits de différents matériaux, comme le carbonate de calcium trouvé dans les coquillages. Les scientifiques seront en mesure de déterminer ces forces en insérant des nombres dans une équation plutôt que de refaire toutes les expériences.

L'étude est publiée dans Science .