Les scientifiques observent comment les blobs forment des cristaux et découvrent un nouveau type de cristal

Les cristaux – du sucre et de la table du sel aux flocons de neige et aux diamants – ne poussent pas toujours de manière simple. Des chercheurs de l’Université de New York ont ​​capturé ce voyage de Blob amorphe aux structures ordonnées dans une nouvelle étude publiée dans Communications de la nature.

En explorant comment les cristaux se forment, les chercheurs sont également tombés sur un cristal inhabituel en forme de tige qui n’avait jamais été identifié auparavant, le nommant “zangenite” pour l’étudiant diplômé de NYU qui l’a découvert.

Commande du chaos

Les cristaux sont des matériaux solides composés de particules qui s’organisent dans des motifs répétitifs. Ce processus d’auto-assemblage – “Orchestrer l’ordre du chaos”, comme les chercheurs le décrivent – était une fois pensé suivre un schéma de croissance prévisible et classique. Mais au lieu de toujours former un élément de construction par un bloc de construction, les scientifiques apprennent que les cristaux peuvent se développer à travers des voies plus complexes.

Pour étudier la formation de cristaux, certains chercheurs utilisent des cristaux composés de petites sphères appelées particules colloïdales, qui sont minuscules mais beaucoup plus grandes que les atomes qui composent d’autres cristaux.

“L’avantage d’étudier les particules colloïdales est que nous pouvons observer les processus de cristallisation à un niveau unique, ce qui est très difficile à faire avec les atomes car ils sont trop petits et rapides. Avec des colloïdes, nous pouvons regarder les cristaux se former avec notre microscope”, a déclaré Stefano Sacanna, professeur de chimie à NYU.

Un processus en deux étapes

Pour faire la lumière sur la façon dont les cristaux colloïdaux se forment, les chercheurs ont mené des expériences pour observer soigneusement comment les particules colloïdales chargées se comportent dans différentes conditions de croissance alors qu’elles passent des suspensions d’eau salée à des cristaux entièrement formés. L’équipe a également dirigé des milliers de simulations informatiques – dirigées par Glen Hocky, professeur adjoint de chimie à NYU – pour modéliser comment les cristaux se développent et aident à expliquer ce qu’ils ont observé dans les expériences.

Les chercheurs ont déterminé que les cristaux colloïdaux se forment à travers un processus en deux étapes: des taches amorphes de particules se condensent d’abord avant de se transformer en structures cristallines ordonnées, résultant en un éventail diversifié de types de cristaux et de formes.

Une trouvaille inattendue

Au cours de ces expériences, Ph.D. L’étudiant Shihao Zang est tombé sur un cristal en forme de tige qu’il ne pouvait pas identifier. À l’œil nu, il ressemblait à un cristal découvert précédemment dans le laboratoire, mais à l’examen de plus près, la combinaison de particules était différente et les pointes de ce cristal contenaient des canaux creux. Zang a comparé la structure inconnue avec plus de mille cristaux trouvés dans le monde naturel et n’a toujours pas trouvé de match.

En se tournant vers la modélisation informatique de Hocky, les chercheurs ont simulé un cristal qui était exactement le même, leur permettant d’étudier sa forme creuse allongée avec encore plus de détails.

“Cela était déroutant car généralement les cristaux sont denses, mais celui-ci avait des canaux vides qui fonctionnaient sur la longueur du cristal”, a déclaré Hocky, qui est également membre du corps professoral du Simons Center for Computational Physical Chemistry à NYU.

“Grâce à cette synergie des expériences et de la simulation, nous avons réalisé que cette structure cristalline n’avait jamais été observée auparavant”, a ajouté Sacanna.

Ils ont nommé le Crystal L3S4 nouvellement découvert sur la base de sa composition, mais ont commencé à l’appeler de manière informelle “Zangenite” lors des réunions de laboratoire, étant donné que Zang l’a découvert. Le nom est coincé.

“Nous étudions les cristaux colloïdaux pour imiter le monde réel des cristaux atomiques, mais nous n’avons jamais imaginé que nous découvririons un cristal que nous ne pouvons pas trouver dans le monde réel”, a déclaré Zang.

La découverte de la zangenite crée une occasion d’explorer des utilisations des cristaux creux et de basse densité et peut ouvrir la voie à la recherche de nouveaux cristaux supplémentaires.

“Les canaux à l’intérieur de la zangenite sont analogues aux caractéristiques dans d’autres matériaux qui sont utiles pour filtrer ou enfermer des choses à l’intérieur”, a déclaré Hocky.

“Avant, nous pensions qu’il serait rare d’observer une nouvelle structure cristalline, mais nous pourrons peut-être découvrir de nouvelles structures supplémentaires qui n’ont pas encore été caractérisées”, a déclaré Sacanna.

Plus largement, une compréhension plus approfondie de la façon dont les cristaux se forment sont prometteurs pour le développement de nouveaux matériaux, y compris des matériaux de bande à bande photonique qui sont fondamentaux pour les lasers, les câbles en fibre optique, les panneaux solaires et d’autres technologies qui transmettent ou récoltent la lumière.

Les autres auteurs de l’étude sont Sanjib Paul, Cheuk Leung, Michael Chen et Theodore Hueckel.