La formation des cristaux : une énigme de 60 ans résolue

Depuis l’aube de l’humanité, les cristaux captivent l’imaginaire collectif. Aujourd’hui, une récente étude de l’Université de Houston offre une perspective inédite sur ce phénomène millénaire, promettant de nouvelles avancées dans de nombreux domaines technologiques.

Les Homo Erectus, il y a un million d’années, étaient déjà fascinés par les cristaux, ces structures qui se distinguaient radicalement de leur environnement naturel. Cette fascination pour les cristaux s’est perpétuée jusqu’à nos jours, où ils sont devenus des composants essentiels dans des domaines aussi variés que la lutte contre le paludisme, la production d’énergie solaire ou encore la fabrication de semi-conducteurs.

Une découverte significative

En janvier 2024, Peter Vekilov, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’Université de Houston, a publié dans la revue PNAS une étude détaillant le processus de formation des cristaux et l’intégration des molécules en leur sein. Cette recherche vient éclairer un mystère qui a longtemps résisté à la compréhension scientifique.

« Pendant des décennies, les chercheurs en croissance cristalline ont rêvé de déchiffrer la réaction chimique entre les molécules entrantes et les sites uniques sur une surface cristalline qui les acceptent, les kinks », a déclaré Peter Vekilov. « Le mécanisme de cette réaction, c’est-à-dire l’échelle de temps et de longueur caractéristique, les intermédiaires possibles et leur stabilité, est resté insaisissable et sujet à spéculation pendant plus de 60 ans. »

Surmonter les obstacles

La principale difficulté à comprendre en profondeur ce phénomène résidait dans le manque de données sur la manière dont les molécules s’intègrent au processus complexe de croissance cristalline. Pour démêler cette réaction chimique, Peter Vekilov a utilisé des stratégies transformationnelles, combinant des techniques expérimentales de pointe telles que la microscopie à force atomique in situ résolue dans le temps, la diffraction des rayons X, la spectroscopie d’absorption et la microscopie électronique à balayage.

Une découverte clé

Vekilov a révélé que l’incorporation dans les kinks pourrait se produire en deux étapes, séparées par un état intermédiaire. La stabilité de cet état intermédiaire est cruciale dans la détermination de la vitesse de croissance des cristaux, influençant la facilité avec laquelle les éléments peuvent s’intégrer au processus.

Bien que ces nouvelles découvertes ne remontent pas à l’époque de l’Homo Sapien, elles résolvent une énigme vieille de 40 ans pour Peter Vekilov.

« Les notions d’état intermédiaire et de son rôle décisif dans la croissance cristalline réfutent et remplacent l’idée dominante dans le domaine, avancée par A.A. Chernov, mon directeur de thèse, selon laquelle la barrière d’activation pour la croissance est déterminée par les interactions soluté-solvant dans la masse de la solution », a-t-il ajouté.

Le nouveau paradigme de l’incorporation en deux étapes, médiée par un état intermédiaire, pourrait aider à comprendre comment de petites parties d’un liquide peuvent influencer les formes détaillées des cristaux que l’on trouve dans la nature.

« Tout aussi important, ce paradigme guidera la recherche de solvants et d’additifs qui stabilisent l’état intermédiaire afin de ralentir la croissance, par exemple, de polymorphes indésirables », a t-il conclu.

En synthèse

Cette nouvelle compréhension du processus de croissance des cristaux ne remonte pas aux temps de l’Homo Sapiens, mais elle résout une énigme vieille de 40 ans. Elle remet en question les idées dominantes dans le domaine et ouvre la voie à de nouvelles méthodes pour influencer la croissance des cristaux, notamment en stabilisant l’état intermédiaire pour ralentir la formation de polymorphes indésirables.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la croissance cristalline ?

La croissance cristalline est le processus par lequel les cristaux se forment et se développent à partir de solutions ou de fusions.

Pourquoi les cristaux sont-ils importants dans la technologie moderne ?

Les cristaux sont essentiels dans la fabrication de semi-conducteurs, de cellules solaires, de catalyseurs et d’éléments optiques, entre autres applications.

Qu’a découvert Peter Vekilov ?

Peter Vekilov a découvert que l’incorporation de molécules dans les cristaux pourrait se faire en deux étapes, avec un état intermédiaire crucial pour la croissance.

Quelles techniques ont été utilisées dans cette recherche ?

Des techniques telles que la microscopie à force atomique, la diffraction des rayons X et la spectroscopie d’absorption ont été utilisées pour étudier la croissance cristalline.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Cette découverte pourrait influencer la manière dont nous contrôlons la croissance des cristaux et leur forme dans diverses applications technologiques.

Références

Légende illustration : Peter Vekilov, professeur de génie chimique et biomoléculaire à l’université de Houston, a publié une étude selon laquelle l’incorporation de molécules dans les cristaux se fait en deux étapes, séparées par un état intermédiaire. Crédit : Université de Houston

Article : « The elementary reactions for incorporation into crystals » – DOI: 10.1073/pnas.2320201121