Les atomes ont un centre chargé positivement entouré d'un nuage de particules chargées négativement. Ce type d'aménagement, il s'avère, peut également se produire à un niveau plus macroscopique, donnant de nouvelles perspectives sur la nature de la formation et de l'interaction des matériaux.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les scientifiques ont examiné la structure interne d'un matériau appelé cristal colloïdal, qui se compose d'un réseau hautement ordonné de particules plus grandes et plus petites entremêlées dans des arrangements réguliers. Une meilleure connaissance de la structure et du comportement des cristaux colloïdaux pourrait aider les scientifiques à déterminer les applications auxquelles ils sont les mieux adaptés, comme la photonique.

Dans une recherche pionnière décrite dans un récent numéro de Science , les scientifiques ont attaché des particules plus petites à de plus grosses en utilisant l'ADN, leur permettant de déterminer comment les plus petites particules remplissaient les régions entourant les plus grosses. Lors de l'utilisation de particules aussi petites que 1,4 nanomètre – extrêmement petites pour les particules colloïdales – les scientifiques ont observé un effet excitant :les petites particules erraient autour de particules plus grosses régulièrement ordonnées au lieu de rester verrouillées de manière ordonnée.

A cause de ce comportement, les cristaux colloïdaux pourraient être conçus pour conduire à une variété de nouvelles technologies dans le domaine de l'optique, catalyse, et l'administration de médicaments. Les petites particules ont le potentiel d'agir comme des messagers, transportant d'autres molécules, courant électrique ou information d'un bout à l'autre d'un cristal.

"Les plus petites particules agissent essentiellement comme une colle qui maintient ensemble l'arrangement des plus grosses particules, " a déclaré Byeongdu Lee, physicien aux rayons X et auteur de l'étude. "Avec seulement quelques billes de colle, la meilleure position pour les placer est sur les coins entre les plus grosses particules. Si vous ajoutez plus de perles de colle, ils déborderaient jusqu'aux bords."

Les petites particules qui se trouvent sur les coins ont tendance à rester immobiles, une configuration que Lee appelle localisation. Les particules supplémentaires qui se trouvent sur les bords ont plus de liberté de mouvement, se délocaliser. En étant attaché à des particules plus grosses et avec la capacité d'être à la fois localisé et délocalisé, les petites particules agissent comme des "équivalents électroniques" dans la structure cristalline. La délocalisation de petites particules, que les auteurs appelaient la métallicité, n'avait pas été observé jusqu'à présent dans les assemblages de particules colloïdales.

En outre, puisque les petites particules se délocalisent en partie, l'effet crée un matériau qui défie la plupart des définitions traditionnelles d'un cristal, selon Lee.

"Normalement, quand on change la composition d'un cristal, la structure change aussi, " dit-il. " Tiens, vous pouvez avoir un matériau capable de conserver sa structure globale avec différentes proportions de ses composants."

Pour imager la structure des cristaux colloïdaux, Lee et ses collègues ont utilisé les faisceaux de rayons X à haute luminosité fournis par la source de photons avancée (APS) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science. L'APS offrait un avantage clé en ce qu'il permettait aux scientifiques d'observer la structure du cristal directement en solution. "Ce système n'est stable qu'en solution, une fois sec, la structure se déforme, " dit Lee.