Lorsque le scientifique israélien Daniel Shechtman a vu pour la première fois un quasi-cristal à travers son microscope en 1982, se serait-il dit, "Eyn chaya kazo" - hébreu pour, "Il ne peut y avoir une telle créature."

Mais il y a, et le quasi-cristal est devenu un sujet de nombreuses recherches au cours des 35 années qui ont suivi la découverte de Shechtman, lauréate du prix Nobel. Qu'est-ce qui rend les quasi-cristaux si intéressants ? Leur structure inhabituelle :les atomes dans les quasi-cristaux sont disposés de manière ordonnée mais non périodique, contrairement à la plupart des cristaux, qui sont constitués d'un tridimensionnel, disposition ordonnée et périodique (répétitive) des atomes.

Le laboratoire d'Uli Wiesner, le professeur d'ingénierie Spencer T. Olin au Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux (MSE) de l'Université Cornell, a rejoint des scientifiques poursuivant ce domaine d'étude relativement nouveau. Et tout comme Shechtman, qui a découvert les quasicristaux en étudiant les diagrammes de diffraction de cristaux d'aluminium-manganèse, Wiesner est tombé un peu par hasard sur les quasi-cristaux.

En travaillant avec des nanoparticules de silice, à partir desquelles sont fabriqués les points Cornell (ou points C) brevetés du laboratoire Wiesner, l'un de ses étudiants est tombé sur une structure de silice inhabituelle, non périodique mais ordonnée, dirigé par auto-assemblage induit chimiquement de groupes de molécules, ou des micelles.

"Pour la première fois, nous voyons cette structure [quasicrystal] dans les nanoparticules, qui n'avait jamais été vu auparavant au meilleur de notre connaissance, " dit Wiesner, dont l'équipe de recherche a mené des centaines d'expériences pour capturer la formation de ces structures aux premiers stades de leur développement.

Leur travail a donné lieu à un article, "Voies de formation de nanoparticules de silice mésoporeuses avec pavage dodécagonal, " publié le 15 août dans Communication Nature . Les auteurs principaux sont l'ancien doctorant MSE Yao Sun, actuel post-doctorant Kai Ma et doctorante Teresa Kao. Parmi les autres contributeurs figuraient Lena Kourkoutis, professeur adjoint de physique appliquée et d'ingénierie; Veit Elser, professeur de physique; et les étudiants diplômés Katherine Spoth, Hiroaki Sai et Duhan Zhang.

Pour étudier l'évolution des quasicristaux de nanoparticules de silice, la meilleure solution serait de filmer le processus de croissance, mais ce n'était pas possible, dit Wiesner.

« Les structures sont si petites, vous ne pouvez les voir qu'au microscope électronique, " dit-il. " La silice se dégrade sous le faisceau d'électrons, il n'est donc pas possible de regarder une particule sur une plus longue période de temps."

La solution? Mener de nombreuses expériences, arrêter le processus de croissance des quasicristaux à différents points, imagerie par microscopie électronique à transmission (MET), et comparer les résultats avec des simulations informatiques, dirigé par Kao. Cette imagerie, fait par Sun et Ma, a donné à l'équipe une sorte de regard en accéléré sur le processus de croissance des quasicristaux, qu'ils pouvaient contrôler de plusieurs manières.

Une façon était de faire varier la concentration du composé chimique mésitylène, également connu sous le nom de TMB, un dilatateur de pores. L'imagerie, dont la cryo-TEM réalisée par Spoth, a montré qu'au fur et à mesure que la concentration de TMB augmentait, les micelles sont devenues plus grosses et plus hétérogènes. L'ajout de TMB a induit quatre changements de structure de nanoparticules mésoporeuses, commençant par un hexagone et se terminant par un quasi-cristal dodécagonal (à 12 côtés).

"Plus nous ajoutons de TMB, plus la distribution de la taille des pores est large, " Wiesner a dit, "et cela perturbe la formation des cristaux et conduit aux quasicristaux."

L'autre façon de faire évoluer ces structures est mécanique. Partant d'une structure cristalline hexagonale, l'équipe a découvert qu'en remuant simplement la solution de plus en plus vigoureusement, ils ont introduit une perturbation qui a également modifié la distribution de la taille des micelles et déclenché les mêmes changements structurels "jusqu'au quasicristal, " a déclaré Wiesner.

Une grande partie de la découverte dans ce travail était « un heureux hasard, " Wiesner a dit, le résultat de "centaines et centaines" d'expériences de croissance menées par les étudiants.

Plus les connaissances acquises sur la formation précoce de ces particules uniques, meilleure sera sa compréhension des nanoparticules de silice, qui sont au cœur du travail de son groupe avec les points Cornell.

"Au fur et à mesure que les techniques s'améliorent, la capacité de voir de petites structures et de mieux comprendre leurs mécanismes d'assemblage s'améliore, " at-il dit. " Et tout ce qui nous aide à comprendre ces premières étapes de formation nous aidera à concevoir de meilleurs matériaux à la fin. "