Une nouvelle découverte transforme notre compréhension des cristaux

Les croyances antérieures ont été renversées par la découverte de structures irrégulièrement disposées.

Pour beaucoup, le mot «cristaux» évoque des images d’attrape-soleil scintillants qui créent un prisme de couleurs arc-en-ciel ou de pierres semi-transparentes censées posséder des capacités de guérison. Mais dans le domaine de la science et de l’ingénierie, les cristaux prennent une définition plus technique. Ils sont perçus comme des matériaux dont les composants – qu’il s’agisse d’atomes, de molécules ou de nanoparticules – sont disposés régulièrement dans l’espace. En d’autres termes, les cristaux sont définis par l’arrangement régulier de leurs constituants. Des exemples familiers incluent les diamants, le sel de table et les morceaux de sucre.

Sang Woo Lee. Crédit : Institut polytechnique Rensselaer

Contrairement à cette définition largement acceptée, une étude récente menée par Sangwoo Lee, professeur agrégé au Département de génie chimique et biologique du Rensselaer Polytechnic Institute, a dévoilé un aspect intrigant des structures cristallines révélant que l’arrangement des composants dans les cristaux n’est pas toujours nécessairement régulier.

La découverte fait progresser le domaine de la science des matériaux et a des implications non réalisées pour les matériaux utilisés pour

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L’une des classes de structures cristallines les plus courantes et les plus importantes est celle des structures compactes de sphères régulières construites en empilant des couches de sphères dans un agencement en nid d’abeilles. Il existe de nombreuses façons d’empiler les couches pour construire des structures compactes, et la façon dont la nature sélectionne un empilement spécifique est une question importante dans la recherche sur les matériaux et la physique. Dans la construction à emballage serré, il existe une structure très inhabituelle avec des constituants espacés de manière irrégulière connue sous le nom d’empilement aléatoire de couches hexagonales bidimensionnelles (RHCP). Cette structure a été observée pour la première fois à partir du cobalt métallique en 1942, mais elle a été considérée comme un état transitoire et énergétiquement non préféré.

Le groupe de recherche de Lee a collecté des données de diffusion des rayons X à partir de nanoparticules modèles molles constituées de polymères et s’est rendu compte que les données de diffusion contiennent des résultats importants sur le RHCP mais sont très compliquées. Ensuite, Patrick Underhill, professeur au Département de génie chimique et biologique de Rensselaer, a permis l’analyse des données de diffusion à l’aide du système de supercalculateur, Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System (AiMOS), au Center for Computational Innovations.

“Ce que nous avons découvert, c’est que la structure RHCP est, très probablement, une structure stable, et c’est la raison pour laquelle le RHCP a été largement observé dans de nombreux matériaux et systèmes cristallins naturels”, a déclaré Lee. “Cette découverte remet en question la définition classique des cristaux.”

L’étude donne un aperçu du phénomène connu sous le nom de polytypisme, qui permet la formation de RHCP et d’autres structures compactes. Un matériau représentatif du polytypisme est le carbure de silicium, largement utilisé pour l’électronique haute tension dans les véhicules électriques et comme matériau dur pour les gilets pare-balles. Les découvertes de l’équipe de Lee indiquent que ces matériaux polytypiques peuvent avoir des transitions structurelles continues, y compris les arrangements aléatoires non classiques avec de nouvelles propriétés utiles.

“Le problème de la façon dont les particules molles s’emballent semble simple, mais même les questions les plus élémentaires sont difficiles à répondre”, a déclaré Kevin Dorfman de l’Université du Minnesota-Twin Cities, qui n’est pas affilié à cette recherche. “Cet article fournit des preuves convaincantes d’une transition continue entre les réseaux cubiques à faces centrées (FCC) et les réseaux hexagonaux compacts (HCP), ce qui implique une phase stable aléatoire hexagonale compacte entre eux et, par conséquent, fait une percée importante dans les matériaux. science.”

“Je suis particulièrement satisfait de cette découverte, qui montre la puissance du calcul avancé pour faire une percée importante dans la science des matériaux en décodant les structures au niveau moléculaire dans les matériaux mous”, a déclaré Shekhar Garde, doyen de la Rensselaer’s School of Engineering. “Le travail de Lee et Underhill chez Rensselaer promet également d’ouvrir des opportunités pour de nombreuses applications technologiques pour ces nouveaux matériaux.”

Référence : « Transition continue des cristaux colloïdaux par des ordres aléatoires stables » par Juhong Ahn, Liwen Chen, Patrick T. Underhill, Guillaume Freychet, Mikhail Zhernenkovc et Sangwoo Lee, 14 avril 2023, Matière molle.
DOI : 10.1039/D3SM00199G

Lee et Underhill ont été rejoints dans la recherche par Juhong Ahn de Rensselaer, Liwen Chen de l’Université de Shanghai pour la science et la technologie, et Guillaume Freychet et Mikhail Zhernenkov du Laboratoire national de Brookhaven.