Les scientifiques soupçonnent depuis longtemps que la façon dont les matériaux se comportent à l'échelle nanométrique – c'est-à-dire lorsque les particules ont des dimensions d'environ 1 à 100 nanomètres – est différente de la façon dont elles se comportent à toute autre échelle. Un nouveau papier dans le journal Sciences chimiques apporte la preuve concrète que c'est le cas.

Les lois de la thermodynamique régissent le comportement des matériaux dans le monde macro, tandis que la mécanique quantique décrit le comportement des particules à l'autre extrême, dans le monde des atomes simples et des électrons.

Mais au milieu, de l'ordre de 10 à 100, 000 molécules, quelque chose de différent se passe. Parce que c'est une si petite échelle, les particules ont un très grand rapport surface/volume. Cela signifie que l'énergétique de ce qui se passe à la surface devient très importante, comme ils le font à l'échelle atomique, où la mécanique quantique est souvent appliquée.

La thermodynamique classique s'effondre. Mais parce qu'il y a tellement de particules, et il y a beaucoup d'interactions entre eux, le modèle quantique ne fonctionne pas tout à fait non plus.

Et parce qu'il y a tellement de particules qui font des choses différentes en même temps, il est difficile de simuler toutes leurs interactions à l'aide d'un ordinateur. Il est également difficile de recueillir beaucoup d'informations expérimentales, parce que nous n'avons pas encore développé la capacité de mesurer le comportement à une si petite échelle.

Cette énigme devient particulièrement aiguë lorsque nous essayons de comprendre la cristallisation, le processus par lequel les particules, distribué aléatoirement dans une solution, peut former des structures cristallines hautement ordonnées, étant donné les bonnes conditions.

Les chimistes ne comprennent pas vraiment comment cela fonctionne. Comment font environ 1018 molécules, se déplacer dans la solution au hasard, se réunissent pour former un cristal ordonné de taille micrométrique à millimétrique ? Le plus remarquable est peut-être le fait que dans la plupart des cas, chaque cristal est ordonné de la même manière à chaque fois qu'il est formé.

Cependant, il s'avère que des conditions différentes peuvent parfois donner des structures cristallines différentes. Ceux-ci sont connus comme polymorphes, et ils sont importants dans de nombreuses branches de la science, y compris la médecine - un médicament peut se comporter différemment dans le corps selon le polymorphe dans lequel il est cristallisé.

Ce que nous savons jusqu'à présent sur le processus, au moins selon un modèle largement accepté, est que les particules en solution peuvent se réunir pour former un noyau, et une fois qu'une masse critique est atteinte, nous voyons une croissance cristalline. La structure du noyau détermine la structure du cristal final, C'est, quel polymorphe nous obtenons.

Ce que nous ne savons pas jusqu'à présent, c'est ce qui détermine la structure du noyau en premier lieu, et cela se produit à l'échelle nanométrique.

Dans ce document, les auteurs ont utilisé la mécanochimie - c'est-à-dire le broyage et le broyage - pour obtenir des particules de taille nanométrique, suffisamment petit pour que les effets de surface deviennent importants. En d'autres termes, la chimie du nanomonde – quelles structures sont les plus stables à cette échelle, et quelles conditions affectent leur stabilité, a été étudiée pour la première fois avec des expériences soigneusement contrôlées.

Et en changeant les conditions de fraisage, par exemple en ajoutant une petite quantité de solvant, les auteurs ont pu contrôler quel polymorphe est le plus stable. Professeur Jeremy Sanders du Département de chimie de l'Université de Cambridge, qui a dirigé les travaux, a déclaré "C'est excitant que ces expériences simples, lorsqu'il est effectué avec le plus grand soin, peut ouvrir de manière inattendue une nouvelle porte pour comprendre la question fondamentale de savoir comment les effets de surface peuvent contrôler la stabilité des nanocristaux. »

Joël Bernstein, Global Distinguished Professor of Chemistry à NYU Abu Dhabi, et expert en croissance et structure cristalline, explique :« Les auteurs ont montré avec élégance comment mesurer et simuler expérimentalement des situations où vous avez deux noyaux possibles, dire A et B, et déterminer que A est plus stable. Et ils peuvent aussi montrer quelles conditions sont nécessaires pour que ces stabilités s'inversent, et que B devienne plus stable que A."

"C'est vraiment une nouvelle, parce que vous ne pouvez pas faire ces prédictions en utilisant la thermodynamique classique, et ce n'est pas non plus l'effet quantique. Mais en faisant ces expériences, les auteurs ont commencé à comprendre comment les choses se comportent sur ce régime de taille, et comment nous pouvons le prévoir et ainsi le contrôler. La partie élégante de l'expérience est qu'ils ont été capables de nucléer A et B de manière sélective et réversible."

L'un des mots clés de la synthèse chimique est « contrôle ». Les chimistes essaient toujours de contrôler les propriétés des matériaux, que ce soit pour faire une meilleure teinture ou du plastique, ou un médicament qui est plus efficace dans le corps. Donc, si nous pouvons apprendre à contrôler comment les molécules d'une solution se réunissent pour former des solides, nous pouvons gagner beaucoup. Ce travail est une première étape importante dans l'obtention de ce contrôle.