Certains cristaux organiques sautent lorsqu'ils sont chauffés. Cela se produit en raison d'un changement extrêmement rapide de leur structure cristalline. Dans la revue Angewandte Chemie , les scientifiques ont maintenant démontré que les cristaux envoient des signaux acoustiques au cours de ce processus, ce qui peut être utile pour analyser les caractéristiques de ce phénomène. Les chercheurs ont démontré que ce processus est analogue aux transitions martensitiques observées dans l'acier et certains alliages.

La martensite est une forme d'acier obtenue par trempe d'austénite, et donne son nom à un type particulier de transition de phase. Le refroidissement rapide de l'austénite ne permet pas aux atomes d'adopter leur structure préférée à plus basse température. Au lieu, ils se déplacent à l'unisson pour former le réseau martensitique. En cristaux sauteurs, un grand nombre d'atomes changent également de concert leurs positions dans le réseau. La grande vitesse de ce phénomène et le fait que les cristaux explosent souvent ont rendu auparavant impossible la preuve de cette théorie, comprendre les détails, et profiter de cet effet thermosaillant, comme il est connu. La capacité des cristaux sautillants à transformer très rapidement la chaleur en mouvement ou en travail est potentiellement utile pour le développement de muscles artificiels ou de bras robotiques à micro-échelle.

Partant de l'hypothèse que la libération soudaine de la tension élastique accumulée dans les cristaux sauteurs se traduit par des ondes acoustiques relativement fortes, semblable aux ondes sismiques d'un tremblement de terre, l'équipe de l'Université de New York Abu Dhabi, le Synchrotron Electronique Allemand (DESY) à Hambourg, et le Max Planck Institute for Solid State Research de Stuttgart se sont mis au travail. Dirigé par Panče Naumov, les chercheurs ont choisi d'étudier les cristaux de l'acide aminé végétal L-pyroglutamique (L-PGA). Ces cristaux sauteurs changent de structure cristalline lorsqu'ils sont chauffés entre 65 et 67 °C; ils retrouvent leur structure de départ lors d'un refroidissement entre 55,6 et 53,8 °C, comme démontré par cristallographie aux rayons X avec rayonnement synchrotron.

Comme postulé, les cristaux émettent des signaux acoustiques clairs pendant la transition. Ces signaux peuvent être enregistrés avec un capteur piézoélectrique. Le nombre, amplitude, la fréquence, et la forme des signaux a donné aux chercheurs des informations sur la dynamique et le mécanisme de l'effet. L'intensité et l'énergie de l'onde acoustique initiale étaient significativement plus élevées et le temps de montée plus court que pour les ondes suivantes. La raison en est la propagation plus efficace de l'onde élastique à travers le milieu sans défaut au début de la transition de phase. Au fur et à mesure de la transition, le nombre de microfissures augmente, ce qui diminue la contrainte élastique.

La limite de phase entre les différentes structures cristallines progresse à 2,8 m/s en L-PGA, qui est plusieurs milliers de fois plus rapide que les autres transitions de phase. Cependant, les deux structures cristallines sont plus similaires que prévu. La transition implique des expansions dans deux dimensions et une contraction dans la troisième, le tout dans une fourchette de seulement 0,5 à 1,7 pour cent.

"Notre étude montre que les cristaux sauteurs sont une classe de matériaux analogue à la martensite inorganique, et cela pourrait être d'une importance considérable pour des applications telles que l'électronique entièrement organique », explique Naumov. « Les techniques d'émission acoustique fournissent enfin un aperçu direct de ces transitions rapides. Nos résultats indiquent que la matière organique qui est normalement perçue comme molle et cassante, et des matériaux beaucoup plus durs, tels que les métaux et les alliages métalliques sont, au moins au niveau moléculaire, pas si différent. La recherche sur l'état solide organique pourrait nous permettre de mieux comprendre les effets macroscopiques associés."