Les scientifiques de l'Université de Bristol ont, pour la première fois, observé la formation d'un gel cristallin avec une résolution au niveau des particules, leur permettant d'étudier les conditions de formation de ces nouveaux matériaux.

L'étude a montré que le mécanisme de croissance cristalline suit les mêmes stratégies par lesquelles les cristaux de glace se développent dans les nuages, une analogie qui pourrait améliorer notre compréhension de ces processus fondamentaux

En outre, ce nouveau mécanisme a permis à l'équipe de recherche de former spontanément des cristaux nanoporeux de type spongieux dans un processus continu.

Des cristaux nanoporeux de métaux et de semi-conducteurs peuvent être obtenus sans désalliage, ce qui peut être important pour catalytique, optique, sentir, et applications de filtration.

Le travail est une collaboration entre l'Université de Tokyo (où les expériences ont été menées), Bristol et l'Institut Lumière Matière de Lyon, La France.

Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue, Matériaux naturels .

Dr John Russo, de l'École de mathématiques de l'Université de Bristol et co-auteur du document de recherche, a déclaré :« Nous avons notamment observé de nouveaux mécanismes de formation.

"Nous avons découvert que pour obtenir ces structures cristal-gel, la structure du gel d'origine doit subir une réorganisation structurelle, dans lequel les liaisons entre les particules colloïdales sont rompues pour libérer le stress interne qui s'est accumulé lors de la croissance rapide du gel - un processus appelé vieillissement induit par le stress.

"Après ça, nous avons observé que la façon dont les branches du gel cristallisent rappelle le processus par lequel les gouttelettes d'eau cristallisent dans les nuages. Nous avons alors pu observer des processus favorisant la cristallisation à travers une phase gazeuse intermédiaire.

"C'est la première fois que ces processus fondamentaux sont observés à une résolution au niveau des particules, ce qui nous donne un aperçu sans précédent de la façon dont le processus se déroule. »

L'article rend compte d'expériences sur une phase de matière hors d'équilibre qui est obtenue en mélangeant des particules colloïdales de taille micronmétrique, avec des chaînes polymères courtes dans un bon solvant.

Le rôle des polymères est d'induire une attraction efficace entre les particules colloïdales, en raison d'un effet physique appelé épuisement, dont l'origine est purement entropique.

Au début de l'expérience, les particules colloïdales se repoussent en raison de la répulsion électrostatique. Afin d'induire l'attraction d'épuisement entre les colloïdes, l'échantillon est mis en contact avec une solution saline à travers une membrane semi-perméable.

Au fur et à mesure que le sel diffuse à travers la membrane semi-perméable, il fait écran à la répulsion électrostatique entre les particules colloïdales, qui commencent alors à s'agréger.

L'ensemble du processus d'agrégation est observé au microscope confocal, qui prend des scans rapides de l'échantillon à différentes hauteurs, afin que les chercheurs puissent reconstituer les coordonnées des particules colloïdales par analyse d'images, et étudier comment ces particules se déplacent pendant plusieurs heures.

Si la concentration en polymère est élevée, le système formera un gel - un état désordonné dans lequel les particules colloïdales s'agrègent pour former des branches interconnectées qui s'étendent sur l'ensemble du système, et qui donnent de la rigidité à la structure.

Le Dr Russo a ajouté :« Ce que nous avons démontré, au lieu, c'est que si on règle la concentration en polymère à la bonne valeur (à côté de ce qu'on appelle un point critique), le système ne formera pas un autre type de gel, dans lequel les particules colloïdales cristallisent dans toute la structure du gel, donnant naissance à un matériau poreux fait de branches cristallines."