Lorsque les particules se déplacent en solution, ils commencent à « ressentir » les interactions à des distances comparables à leur taille. Le mouvement corrélé des ions pousse les nanoparticules à se rapprocher les unes des autres face aux côtés correspondants. Ensuite, les mêmes forces induites par les ions dirigent des ajustements fins de l'orientation mutuelle des particules de sorte que les atomes sur les surfaces soient disposés comme un cristal idéal. Ensuite, le solvant laisse l'espace entre les particules, et un cristal sans défaut est formé. Crédit :Laboratoire national du Nord-Ouest du Pacifique
Regarde bien, et vous verrez des motifs ingénieux partout dans la nature. Les scientifiques et les ingénieurs l'ont compris depuis longtemps, mais imiter Mère Nature dans la construction de tels modèles - en particulier une structure cristalline hautement ordonnée - s'est avéré difficile. Récemment, Maria Sushko et Kevin Rosso du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont considérablement amélioré la compréhension en clarifiant les forces motrices de la croissance cristalline à base de particules avec leur nouvelle approche informatique. Ils ont appris que la croissance cristalline dépend de l'équilibre subtil des interactions entre les atomes, ions, molécules, et particules. Leur découverte est très prometteuse pour la création de matériaux permettant de relever les défis énergétiques.
Dans les processus naturels de croissance cristalline, les blocs de construction de nanoparticules se fixent le long de faces cristallines spécifiques. En étudiant ces exemples, les chercheurs ont été inspirés pour envisager comment ils pourraient créer des structures cristallines similaires pour une gamme d'applications pratiques, y compris le stockage d'énergie. Armé d'une meilleure compréhension des processus fondamentaux qui sous-tendent les voies de la croissance cristalline, les chercheurs pourraient contrôler ces processus pour synthétiser de nouveaux matériaux avec des détails précis. Dans leurs recherches, Sushko et Rosso ont découvert que le mouvement coordonné des ions à proximité de la surface des nanoparticules détermine la façon dont les nanoparticules s'arrangent en formes et structures cristallines correspondantes. Ils ont découvert que les ions en solution peuvent diriger la rotation des nanoparticules dans une orientation cristalline correspondante, imitant précisément le modèle de la nature, pour produire des cristaux parfaits.
La découverte des chercheurs du PNNL fournit des informations fondamentales clés sur les processus géochimiques conduisant à la formation minérale, et aide à créer des complexes, hiérarchique, structures monocristallines en laboratoire. Il est également prometteur pour éventuellement créer des matériaux innovants pour l'électronique grand public, piles, et plus. Selon Sushko, leur nouvelle approche informatique crée « un nouveau paradigme dans la synthèse basée sur la connaissance de structures cristallines tridimensionnelles hautement ordonnées » pour une gamme d'applications pratiques dans les technologies de catalyse et de stockage d'énergie.
Rosso et Sushko ont développé un nouveau modèle informatique multi-échelle qui englobe les forces essentielles agissant entre les atomes, molécules, et particules. Leur approche s'étend sur des échelles de longueur allant de l'Angstrom au demi-micron et est entièrement transférable à une large gamme de systèmes. La méthode est profondément ancrée dans la mécanique quantique et fournit une approche sans paramètre pour la modélisation de systèmes pertinents sur le plan expérimental.
Leur nouvelle approche informatique est une étape majeure vers le développement d'une théorie complète de la cristallisation à base de particules. Les recherches futures étendront le modèle pour inclure une gamme plus large de forces macroscopiques, comme la polarisation magnétique et électrique. Le modèle sera également appliqué à d'autres matériaux pour avoir un aperçu des différentes voies de cristallisation.
