Lorsque des chercheurs allemands ont examiné des images en accéléré de cristaux en dissolution à l'échelle nanométrique, ils ont trouvé une surprise:la dissolution s'est produite par impulsions, marqué par des vagues qui se propagent comme des ondulations sur un étang.

"Ce que nous voyons, ce sont des vagues ou des anneaux, " a déclaré l'enquêteur principal Cornelius Fischer, qui a mené cette recherche à l'Université de Brême dans le groupe du professeur Andreas Lüttge. "Nous avons une fosse au milieu, et puis autour de ces fosses se trouvent des anneaux d'enlèvement de masse. » La recherche a été publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences . Fischer et Lüttge se spécialisent dans l'étude des interactions minéraux-fluides, et ont collaboré pendant plus de 15 ans aux États-Unis et en Allemagne.

Dans la vie de tous les jours, la dissolution des cristaux est aussi simple que de mélanger du sucre dans un verre d'eau. Et comme tout enfant qui a fait du rock candy le sait, le processus fonctionne également en sens inverse :des cristaux de sucre se forment lorsque l'eau s'évapore du verre. Lüttge a déclaré que les scientifiques savent depuis longtemps que les cristaux se forment au cours d'un processus continu au fur et à mesure que les molécules se déposent de la solution dans le réseau cristallin régulier du solide qu'elles forment.

"Nous avons toujours pensé que la dissolution était un processus continu, un peu comme la formation de cristaux à l'envers, et nous avons été étonnés lorsque ces expériences ont montré que ce n'était pas un processus continu, " Fischer a dit. " Au lieu de cela, ce que nous avons vu, ce sont des impulsions qui se produisent autour de ces fosses."

Les impulsions apparaissent clairement dans les cartes de taux, images fixes haute résolution qui capturent la vitesse à laquelle le matériau se dissout au fil du temps à partir de la surface d'un cristal. Dans les expériences au MARUM, Cornelius Fischer a modifié une technique d'imagerie appelée "interférométrie à balayage vertical" que Lüttge a mis au point à l'Université Rice (Houston, États-Unis) au début des années 2000 pour faire des « cartes des taux de réaction de surface ».

« Les cartes montrent la répartition du flux de matière et illustrent ainsi la réactivité de surface, " dit Fischer, un ancien chercheur postdoctoral MARUM qui est maintenant à la tête d'un groupe de recherche au laboratoire de recherche allemand indépendant Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. "Au cours de l'analyse de routine des données de la carte des taux, nous avons découvert l'existence d'un modèle remarquable de réactivité de surface. C'était le point de départ d'une analyse systématique des caractéristiques de la carte des fréquences pulsées."

À l'aide d'échantillons d'oxyde de zinc puis de carbonate de calcium, Fischer a réalisé des cartes montrant chaque inclinaison et montée à la surface du cristal à une résolution de 1 nanomètre, ou 1 milliardième de mètre. Chaque scan a collecté plus de 4 millions de mesures sur une surface ne mesurant pas plus d'un centimètre carré. Prendre des instantanés ultérieurs de la surface d'un cristal au fur et à mesure de sa dissolution leur a permis de mesurer la vitesse à laquelle le cristal s'est dissous en fonction de la hauteur de la surface.

Les scientifiques ont compris depuis longtemps l'importance que jouent les minuscules défauts de surface dans la dissolution des cristaux. De minuscules divots appelés « puits de gravure » ​​exposent les bords du cristal et augmentent la probabilité qu'un solvant, comme l'eau, réagira chimiquement avec les atomes du cristal. Le processus est similaire à la façon dont la rouille ronge le fer ou l'acier.

Lorsqu'ils ont examiné leurs cartes de taux de dissolution des cristaux de calcite et d'oxyde de zinc, Lüttge et Fischer ont trouvé "des fluctuations rythmiques de la densité de site de surface réactive, " ou des impulsions de dissolution qui se propagent comme des anneaux à partir de piqûres de gravure et de dislocations de vis, un peu comme des ondulations qui se propagent à partir du point où un caillou tombe dans un étang.

"La superposition complexe des impulsions définit le résultat global, et nous sommes maintenant capables de comprendre—et, le plus important, quantifier - des modèles tels que le point de départ de la formation de porosité dans les matériaux solides lors de la dissolution, " a déclaré Fischer. Lüttge a déclaré que la découverte ajoute à la compréhension fondamentale des scientifiques de la dissolution des cristaux et pourrait aider les chercheurs dans des domaines aussi divers que la prévention de la corrosion et la fabrication pharmaceutique.