Dans un travail qui bouleverse la conception des matériaux, les chercheurs ont démontré avec des simulations informatiques qu'ils peuvent concevoir un cristal et travailler en arrière jusqu'à la forme de la particule qui s'auto-assemblera pour le créer.

Cela pourrait conduire à une nouvelle classe de matériaux, tels que les revêtements en cristal qui produisent des couleurs qui ne se fanent jamais.

"Ces résultats bouleversent la conception des matériaux et notre compréhension de l'entropie, " a déclaré Sharon Glotzer, Anthony C. Lembke Department Chair of Chemical Engineering à l'Université du Michigan et auteur principal de l'article en Avancées scientifiques .

Les matériaux dotés de propriétés véritablement nouvelles doivent généralement être découverts par accident. Par exemple, il a fallu une expérience ludique avec du ruban de cellophane et un morceau de graphite pour découvrir le graphène en 2004, maintenant un matériau merveilleux lauréat du prix Nobel pour sa combinaison de résistance, la flexibilité, transparence et conductivité.

Plutôt que d'attendre un heureux hasard, les scientifiques des matériaux aimeraient imaginer un matériau merveilleux et ensuite découvrir comment le fabriquer. C'est cette approche « inverse » de la conception des matériaux – en revenant des propriétés souhaitées – que l'équipe appelle « l'alchimie numérique ».

« Cela nous permet vraiment de nous concentrer sur le résultat et de tirer parti de ce que nous savons pour trouver un point de départ pour construire ce matériau, " a déclaré Greg van Anders, un auteur correspondant de l'article et un professeur adjoint de physique à l'Université Queen's à Kingston, Ontario. La recherche a été faite alors qu'il était à U-M auparavant.

Glotzer est un chef de file dans l'étude de la façon dont les nanoparticules s'auto-assemblent grâce au mécanisme surprenant de l'entropie. Alors que l'entropie est communément considérée comme une mesure du désordre, L'équipe de Glotzer l'exploite pour créer des cristaux ordonnés à partir de particules. Ils peuvent le faire parce que l'entropie n'est pas vraiment un désordre, mais plutôt, c'est une mesure de la liberté du système. Si les particules avaient beaucoup d'espace, elles seraient réparties à travers elle et orientées de manière aléatoire - la collection de particules a le plus de liberté lorsque les particules individuelles ont le plus de liberté.

Mais dans les systèmes sur lesquels Glotzer se concentre, les particules n'ont pas beaucoup d'espace. S'ils sont orientés au hasard, la plupart d'entre eux seront piégés. Le système de particules est le plus libre si les particules s'organisent en une structure cristalline. La physique l'exige, et les particules obéissent.

Selon la forme des particules, L'équipe de Glotzer et d'autres ont montré comment vous pouvez obtenir une variété de cristaux intéressants, certains similaires aux cristaux de sel ou aux réseaux atomiques des métaux, et certains apparemment nouveaux (comme les "quasicristaux, " qui n'ont pas de motif répété). Dans le passé, ils l'ont fait de la manière habituelle en choisissant une forme de particules et en simulant le cristal qu'elle produirait. Ils ont passé des années à découvrir les règles de conception qui permettent aux particules de certaines formes de construire certains cristaux.

Maintenant, ils l'ont inversé pour pouvoir brancher une structure cristalline dans leur nouveau programme, et cela leur donne une forme de particule qui la construira. En reformulant la question de « Quel cristal cette forme fera-t-elle ? » à "Cette forme fera-t-elle mon cristal ?", l'équipe a exploré plus de 100 millions de formes différentes dans l'étude.

« En une seule journée, sur un ordinateur ordinaire, nous avons pu étudier plus de types de particules différents que ceux rapportés au cours de la dernière décennie, " a déclaré van Anders.

Ils ont utilisé le logiciel pour identifier les formes de particules pour construire quatre réseaux cristallins communs (cube simple, cubique centré sur le corps, cubique à faces centrées et losange) et deux réseaux plus complexes (bêta-manganèse et bêta-tungstène). Lorsque ceux-ci ont fonctionné, ils ont essayé un treillis qui n'est pas connu dans la nature, l'un de leur propre design - une variante du cristal connue sous le nom de " hexagonal emballé serré ".

L'équipe prévoit que les nanoscientifiques expérimentaux pourront fabriquer ces cristaux en produisant un lot de particules de la bonne forme et en les ajoutant à un fluide. Dans le fluide, les nanoparticules vont s'assembler. Tant qu'ils restent confinés, ils garderont leur structure.

Cela pourrait conduire à des progrès dans la couleur structurelle fabriquée par l'homme, semblable à la façon dont les ailes de papillon produisent leurs teintes brillantes grâce à des interactions avec la lumière. Contrairement aux pigments, la couleur structurelle ne se décolore pas. La couleur pourrait également être activée et désactivée avec un mécanisme pour confiner les particules afin qu'elles forment le cristal ou leur donner de l'espace pour que le cristal se désagrège.

Cette recherche est rapportée dans Avancées scientifiques dans un article intitulé "Engineering entropy for the reverse design of colloidal crystals from hard forms."