Nouvelle voie pour former des cristaux complexes –

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.

En raison de ces défis, les scientifiques n’avaient pas été en mesure de confirmer exactement comment se forment les mésocristaux.

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 de 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 couplés pour former ces structures hautement uniformes. Les chercheurs ont rendu compte de leurs travaux dans le numéro du 18 février 2021 de La 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 du PNNL et codirecteur du Northwest Institute for Materials Physics, Chemistry, and Technology. “Nous soupçonnons que c’est 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.

Voir la cristallisation en temps réel

Le projet a pris des années à exécuter 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 à l’aide de 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 points pendant 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’endommager 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 ensemble, ce qui conduit, en moyenne, à des mésocristaux finaux d’environ la même taille et la même forme.

Mésocristaux dans la nature

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 également dans les systèmes naturels, selon les chercheurs. Certains gisements minéraux, dont 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 à la compréhension du 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 le Département américain de l’énergie, l’Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Division of Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences, ouvre de nouvelles possibilités pour créer intentionnellement des mésocristaux ou des matériaux de type mésocristal.