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17 février 2021

par Beth Mundy, Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique

Lorsque les matériaux atteignent des échelles de taille extrêmement petites, des choses étranges commencent à se produire L’un de ces phénomènes est la formation de mésocristaux

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Bien qu’ils soient composés de cristaux individuels séparés, les mésocristaux se rassemblent pour former une structure fusionnée plus grande qui se comporte comme un monocristal pur Cependant, ces processus se produisent à des échelles beaucoup trop petites pour que l’œil humain puisse les voir et leur création est extrêmement difficile à observer.

Une nouvelle recherche menée par une équipe dirigée par le PNNL (Pacific Northwest National Laboratory) a utilisé des techniques avancées de microscopie électronique à transmission (MET) pour voir les mésocristaux se former en solution en temps réel Ce qu’ils ont vu va à l’encontre de la sagesse conventionnelle et leurs idées pourraient un jour aider les scientifiques à concevoir des matériaux pour le stockage de l’énergie et à comprendre comment les minéraux se forment dans le sol.

Plutôt que la nucléation des cristaux individuels, l’étape qui commence la formation des cristaux, puis l’agrégation aléatoire en mésocristaux en deux étapes non liées, les chercheurs ont observé que la nucléation et l’attachement étaient étroitement liés pour former ces structures hautement uniformes. Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux dans le numéro du 18 février 2021 de Nature

“Nos résultats identifient une nouvelle voie importante de cristallisation par l’attachement de particules et résolvent des questions clés sur la formation des mésocristaux”, a déclaré Guomin Zhu, scientifique des matériaux du PNNL et de l’Université de Washington. Il faisait partie de l’équipe de recherche dirigée par Jim De Yoreo, scientifique des matériaux PNNL et codirecteur du Northwest Institute for Materials Physics, Chemistry, and Technology. “Nous soupçonnons qu’il s’agit d’un phénomène répandu avec des implications importantes à la fois pour la synthèse des nanomatériaux conçus et pour la compréhension de la minéralisation naturelle”, a ajouté Zhu

Le projet a pris des années à être exécuté et a nécessité une résolution de problèmes importants Pour les expériences de microscopie, l’équipe scientifique a choisi un système modèle qui comprenait de l’hématite, un composé de fer couramment trouvé dans la croûte terrestre, et de l’oxalate, un composé naturellement abondant dans le sol.

Ils ont visualisé le processus en utilisant la TEM in situ, qui donne aux chercheurs la possibilité de voir la cristallisation à l’échelle nanométrique au fur et à mesure. Ils ont combiné cette méthode en temps réel avec un TEM “gel et look” qui leur a permis de suivre un cristal individuel à différents moments de la croissance. Des calculs théoriques ont aidé à compléter le tableau, permettant à l’équipe PNNL de reconstituer la croissance des mésocristaux.

Les chercheurs exécutent généralement la plupart des expériences TEM in situ à température ambiante pour simplifier la configuration expérimentale et minimiser le potentiel d’endommagement de l’instrument sensible, mais la formation de mésocristaux suffisamment rapide pour être observée se produit à environ 80 ° C

“L’équipement supplémentaire utilisé pour chauffer les échantillons a rendu les expériences extrêmement difficiles, mais nous savions que les données seraient essentielles pour comprendre comment les mésocristaux se formaient”, a déclaré Zhu

Une fois chauffés, les nouveaux nanocristaux d’hématite facilitent leur fixation rapide, ce qui conduit, en moyenne, à des mésocristaux finaux d’environ la même taille et la même forme

La clé chimique de cette fixation rapide et fiable réside dans les molécules d’oxalate présentes dans la solution Après la formation des premiers petits cristaux, les additifs oxalates aident à créer un gradient chimique à l’interface du liquide et du cristal en croissance Plus de composants chimiques nécessaires à la nucléation des particules persistent près des cristaux, ce qui augmente considérablement la probabilité que de nouvelles particules se forment à proximité de celles existantes

Bien que cette voie de croissance des cristaux ait été observée dans des conditions contrôlées à de très petites échelles, elle se produit probablement aussi dans les systèmes naturels, selon les chercheurs Certains gisements minéraux, y compris un gisement d’hématite australien, contiennent des mésocristaux Compte tenu de l’abondance naturelle de l’oxalate et de l’observation de l’équipe du PNNL selon laquelle l’hématite peut devenir mésocristal à des températures aussi basses que 40 ° C, il semble plausible que cette voie de formation se produise dans la nature

Étant donné que les mésocristaux sont présents dans la nature, les résultats peuvent être appliqués pour comprendre le cycle des nutriments dans l’environnement, entre autres applications De plus, pour créer des structures complexes presque uniformes, il faut comprendre comment les méthodes de formation de ces matériaux fonctionnent et comment les contrôler. Ainsi ce travail, soutenu par l’US Département de l’énergie, Bureau des sciences, Bureau des sciences de l’énergie de base, Division des sciences chimiques, géosciences et biosciences, ouvre de nouvelles possibilités pour créer intentionnellement des mésocristaux ou des matériaux semblables à des mésocristaux

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Recherche, chimie, science des matériaux

Actualités – États-Unis – Des chercheurs découvrent une nouvelle voie pour former des cristaux complexes
Titre associé :
Les chercheurs découvrent une nouvelle voie pour former des cristaux complexes
Modification de la formation de cristaux complexes

Source: https://phys.org/news/2021-02-route-complex-crystals.html

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