La cristallisation est l'assemblage d'atomes ou de molécules en cristaux solides hautement ordonnés, qui se produit dans la nature, biologique, et les systèmes artificiels. Cependant, cristallisation dans des espaces confinés, comme la formation de l'enveloppe protéique d'un virus, est mal compris. Les chercheurs tentent de contrôler la structure du cristal final formé dans un espace confiné pour obtenir des cristaux aux propriétés souhaitées, ce qui nécessite une connaissance approfondie du processus de cristallisation.

Un groupe de recherche à l'Institut des sciences industrielles, l'Université de Tokyo et l'Université de Fudan, dirigé par Hajime Tanaka et Peng Tan, utilisé une gouttelette d'un colloïde - une dispersion de particules liquides dans un autre liquide, comme le lait - comme modèle pour des atomes ou des molécules uniques dans une sphère. Contrairement aux atomes ou molécules simples, qui sont trop petits pour être facilement observés, les particules colloïdales étaient suffisamment grosses pour être visualisées à l'aide d'un microscope. Cela a permis aux chercheurs de suivre l'ordre des particules individuelles en temps réel pendant la cristallisation.

"Nous avons visualisé le processus d'organisation des particules colloïdales dans de nombreuses gouttelettes dans différentes conditions pour fournir une image du processus de cristallisation dans une sphère, " dit Tan.

Sur la base de leurs observations, l'équipe a proposé que le processus de cristallisation impliquait trois étapes :un ordre initial sur la « peau » de surface de la gouttelette, nucléation et croissance au coeur de la gouttelette, puis mûrissement lent de l'ensemble de la structure. D'abord, une peau constituée d'une seule couche de particules colloïdales ordonnées se forme rapidement à la surface des gouttelettes. Prochain, la cristallisation s'est produite au coeur de la gouttelette, loin de la peau cristallisée. La compétition entre la cristallisation dans ces deux régions contrôlait la structure du cristal final.

Les chercheurs ont découvert que les interactions "douces" (à longue portée) entre les particules colloïdales chargées négativement affectaient leur organisation et la structure cristalline résultante. Ces interactions douces sont dominées par la cinétique, C'est, les interactions qui se forment les plus rapides, plutôt que ceux qui utilisent le moins d'énergie pour donner la structure thermodynamiquement stable, illustrant que la cinétique joue un rôle important dans la cristallisation en espace confiné. On savait déjà que la thermodynamique contribue fortement à la structure finale des cristaux. Les découvertes de l'équipe ont confirmé que la cinétique fait également partie intégrante, approfondir nos connaissances sur la cristallisation en espace confiné.

"Cette recherche approfondit notre compréhension du processus de cristallisation dans les systèmes contraints géométriquement, amener les chercheurs à faire un pas de plus vers la réalisation d'une croissance contrôlée de cristaux à très petite échelle, " explique Tanaka.

Une connaissance détaillée du processus de formation des cristaux dans les systèmes confinés peut permettre des cristaux avec des structures conçues, telles que les nanoparticules pour des applications électroniques spécifiques, à obtenir, donnant aux chercheurs une plus grande capacité de contrôler la structure et donc les propriétés des matériaux de valeur.

L'article "Cinétique de sélection morphologique de la cristallisation dans une sphère" est publié dans Physique de la nature .