La cristallisation, qui s’effectue à l’échelle atomique, est très complexe, et les spécialistes n’ont pas encore pleinement saisi la totalité du processus. Grâce à une technique appelée single-molecule atomic-resolution real-time electron microscopy, ou SMART-EM, des scientifiques japonais sont parvenus à capturer pour la toute première fois la formation de cristaux de sel en direct.
Ce sont des images inédites. Le chimiste Takayuki Nakamuro, de l’Université de Tokyo, nous invite à observer l’infiniment petit grâce à une technique que ses collègues et lui développent depuis plus de quinze ans. La vidéo obtenue montre en temps réel comment les atomes s’assemblent pour former des réseaux cristallisés. Le résultat est fascinant et permet de saisir toutes les étapes du phénomène.
La cristallisation est utilisée dans un grand nombre d’applications, de la médecine à l’industrie. Pour les chercheurs, c’est donc un pas de plus vers un meilleur contrôle de certains processus de fabrication de matériaux. Ils espèrent également pouvoir observer de la même façon la formation de cristaux polymorphes (qui peuvent adopter différentes structures), comme le carbone ou le carbonate de calcium.
Des atomes qui se mettent en ordre
Dans un solide cristallin, les atomes ne sont pas assemblés de façon aléatoire. Bien au contraire, ils se positionnent de façon à constituer une structure précise, qui confère au solide ses propriétés physiques, chimiques et mécaniques. La cristallographie est donc une notion essentielle pour la conception des matériaux. Les solides cristallins adoptent ainsi des formes bien déterminées, dues à un empilement spécifique des atomes qui les constituent. Il existe sept réseaux cristallins connus.
Le chlorure de sodium (NaCl), dont il est question dans cette expérience de capture vidéo, est un cristal ionique, composé d’ions chlorure (Cl–) et sodium (Na+) ; il cristallise en un système cubique. Pour observer l’agencement des ions, les chercheurs ont exploité une toute nouvelle méthode de préparation d’échantillons, combinée à la méthode SMART-EM. Pour maintenir les échantillons en place, ils ont utilisé des nanotubes de carbone coniques, qu’ils avaient eux-mêmes mis au point lors de travaux antérieurs.
L’équipe a ainsi enregistré l’équivalent d’une évaporation d’eau au sein d’une solution de chlorure de sodium et donc, la formation de réseaux cristallins typiques de ce solide. En pratique, ils ont fait en sorte que le nanotube de carbone vibre de manière à réduire la diffusion moléculaire dans la solution. Des dizaines de molécules de sel ont ainsi commencé à former des mailles cristallines, en forme de cube, comme on peut le voir sur la vidéo suivante (filmée à une fréquence de 25 images par seconde) :
Peu avant la solidification d’un liquide, quelques germes commencent à se former (c’est ce que l’on appelle la nucléation) ; quelques molécules, atomes ou ions se rassemblent en un empilement ordonné et c’est autour de ce germe que le cristal va croître (par empilement de couches successives). Ces agrégats de précristallisation n’avaient jamais été observés ni caractérisés auparavant ; ces images permettront ainsi de mieux comprendre le processus de nucléation. « Nous avons immédiatement remarqué l’opportunité d’étudier les aspects structurels et statistiques de la nucléation cristalline avec des détails sans précédent », s’est réjoui Takayuki Nakamuro.
Mieux comprendre le polymorphisme cristallin
L’équipe a observé le processus de nucléation à neuf reprises et chaque fois, les molécules se sont assemblées en un amas fluctuant entre des états sans relief et semi-ordonnés, avant de s’agréger soudainement en un cristal de quatre atomes de large sur six atomes de long. Des états, qui selon l’équipe, sont extrêmement différents des cristaux réels. Ils ont également remarqué un schéma statistique de la fréquence à laquelle les cristaux se forment, croissent et rétrécissent : pour chacune des neuf nucléations observées, le moment de la nucléation elle-même suivait à peu près une distribution normale (courbe en cloche), avec un temps moyen de 5,07 secondes. Le phénomène avait été théorisé, mais c’est la première fois qu’il est vérifié expérimentalement.
Grâce à ces images, les chercheurs ont déduit que la taille de l’assemblage moléculaire et sa dynamique structurelle jouent toutes deux un rôle dans le processus de nucléation. Par conséquent, ils estiment qu’il est possible de contrôler précisément le processus de nucléation en contrôlant l’espace dans lequel il se produit ; il pourrait même être possible de contrôler la taille et la forme du cristal.
Le chlorure de sodium a servi ici de modèle pour explorer les principes fondamentaux de la nucléation, mais l’équipe envisage désormais d’étudier une cristallisation plus complexe, avec des applications pratiques plus larges. « Le sel ne cristallise que dans un sens. Mais d’autres molécules, comme le carbone, peuvent cristalliser de multiples façons, conduisant au graphite ou au diamant. C’est ce qu’on appelle le polymorphisme, et personne n’a vu les premiers stades de la nucléation qui y conduit », précise Eiichi Nakamura, co-auteur de l’étude.