Des scientifiques capturent des images de cristaux se formant dans du métal liquide

Des chercheurs ont réussi à faire pousser des cristaux de platine dans du métal liquide, en utilisant une technique puissante aux rayons X offrant un aperçu rare de la manière dont ces cristaux délicats se forment et croissent.

Plus qu’une simple curiosité esthétique, les cristaux cultivés en métal liquide pourraient être la clé pour créer de nouveaux matériaux. Ils constituent potentiellement un ingrédient vital dans les nouvelles technologies en développement pour extraire l’hydrogène de l’eau et dans les applications de l’informatique quantique.  Publiée dans Nature Communications, l’équipe dirigée par l’Université de Sydney a utilisé des cristaux métalliques pour construire une électrode capable de produire efficacement de l’hydrogène à partir de l’eau.

Les métaux liquides comme le gallium sont des éléments curieux. Ils scintillent en surface comme des métaux solides mais peuvent aussi être fluides. Par exemple, le gallium à température ambiante ressemble à des blocs solides de métal, mais lorsqu’il est réchauffé à la température du corps, il se transforme en flaques métalliques liquides.

« Observer la formation de cristaux à l’intérieur de métaux liquides comme le gallium est une tâche difficile. Le gallium est un élément très dense dont les atomes sont étroitement tassés et si opaque qu’il est impossible pour la plupart des microscopes de traverser une épaisse couche de gallium. Ce fut un moment vraiment spécial de pouvoir développer une méthode pour y parvenir, a expliqué le Professeur Kourosh Kalantar-Zadeh, de l’École de génie chimique et biomoléculaire de l’Université de Sydney, qui a dirigé la recherche.

L’équipe a utilisé la tomodensitométrie à rayons X, un équipement couramment utilisé en imagerie médicale, pour cartographier les organes internes. La machinerie a révélé les détails internes des cristaux métalliques en 3D. Elle a montré des cristaux éclosant dans le métal liquide, révélant des structures distinctives en forme de bâtonnets ou de givre se développant sur des minutes et des heures.

« Pour voir comment les métaux liquides peuvent être exploités pour façonner l’avenir des matériaux intelligents et identifier ceux qui jouent des rôles importants dans les sources d’énergie, nous devons comprendre leurs propriétés métalliques et chimiques, de l’intérieur comme de l’extérieur, a argumenté le Professeur Kalantah-Zader. « Avec la tomodensitométrie par rayons X, nous pouvons maintenant vraiment voir avec quoi nous travaillons et concevoir des cristaux cultivés en métal liquide pour qu’ils poussent plus précisément. »

La nature contradictoire des métaux liquides, qui contiennent à la fois des propriétés métalliques et liquides, les rend désirables dans le monde de la science des matériaux. Des chercheurs comme le Professeur Kalantar-Zadeh ont longtemps considéré les métaux liquides comme l’avenir des procédés chimiques industriels. Son équipe de recherche se spécialise dans le repoussement des limites chimiques et techniques des métaux liquides pour créer de nouveaux matériaux et catalyseurs ‘verts’, afin de rendre les réactions chimiques plus rapides.    

« Les métaux liquides sont également de très bons solvants, avec une puissante capacité à dissoudre d’autres éléments métalliques, comme le sucre dans l’eau, a précisé le Professeur Kalantah-Zader.

Les éléments métalliques en excès forment des cristaux, de la même manière que les cristaux se forment lorsqu’il y a trop de sucre dans l’eau. Dans cette étude, les chercheurs ont dissous des perles de platine dans du métal liquide de gallium ou de gallium-indium à 500 degrés Celsius, puis les ont refroidis pour déclencher le processus de croissance des cristaux.

Avec la tomodensitométrie par rayons X a ensuite imagé une gouttelette de l’alliage de platine et de gallium (un matériau avec deux métaux) en coupes transversales, qui ont ensuite été assemblées pour recréer une image 3D. Cela a permis aux chercheurs de cartographier le processus de formation des cristaux. Pendant que l’alliage de platine et de gallium refroidissait, de minuscules bâtonnets cristallins ont commencé à se former rapidement.

« Nous avons observé avec fascination comment les particules métalliques de diverses orientations cristallines poussaient à l’intérieur des métaux liquides en modifiant la température et les conditions environnementales, a révélé la co-auteure de l’étude, l’étudiante au doctorat Mme Moonika Widjajana.

« Cette étude a illustré comment la tomodensitométrie par rayons X peut surmonter le défi d’observer la croissance des cristaux à l’intérieur du métal liquide – un matériau opaque qu’il est habituellement impossible de pénétrer avec la lumière et les électrons. » 

La technologie actuelle signifie que les cristaux observés ne peuvent être imagés qu’à basse résolution, mais les avancées en tomodensitométrie par rayons X signifient que les chercheurs pourront bientôt comprendre davantage ce qui se passe lorsque les cristaux métalliques se forment.

Article : Observing growth of metallic crystals inside liquid metal solvents – Journal : Nature Communications – Méthode : Imaging analysis – Sujet : Not applicable

Source : Sydney U.