Exemples de jardins chimiques produits dans le laboratoire d’Oliver Steinbock, professeur de chimie à la Florida State University. Crédit : avec l’aimable autorisation de l’université d’État de Floride
Des scientifiques de la Florida State University ont mis au point un modèle mathématique expliquant la croissance, la formation de motifs et les propriétés d’autoréparation des jardins chimiques. Ces connaissances pourraient conduire à la mise au point de matériaux autoréparables.
Depuis le milieu du XVIe siècle, les chimistes sont fascinés par les structures colorées et coralliennes qui se forment en mélangeant des sels métalliques dans une petite bouteille.
Jusqu’à présent, les chercheurs ont été incapables de modéliser le fonctionnement de ces structures tubulaires d’une simplicité trompeuse – appelées jardins chimiques – ainsi que les schémas et les règles qui régissent leur formation.
Dans un article publié cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, des chercheurs de l’université d’État de Floride présentent un modèle qui explique comment ces structures se développent vers le haut, prennent différentes formes et passent d’un matériau flexible et auto-cicatrisant à un matériau plus cassant.
« Dans le contexte des matériaux, c’est très intéressant », a déclaré Oliver Steinbock, professeur de chimie et de biochimie à la FSU. « Ils ne poussent pas comme des cristaux. Un cristal a des coins bien nets et se développe couche par couche. Et lorsqu’un trou se produit dans un jardin chimique, il se répare de lui-même. Il s’agit d’une première étape dans l’apprentissage de la fabrication de matériaux capables de se reconfigurer et de se réparer eux-mêmes.
En règle générale, les jardins chimiques se forment lorsque des particules de sel métallique sont placées dans une solution de silicate. Le sel dissous réagit avec la solution pour créer une membrane semi-perméable qui s’éjecte vers le haut de la solution, créant une structure d’apparence biologique, semblable au corail.
Les scientifiques ont observé les jardins chimiques pour la première fois en 1646 et, depuis des années, ils sont fascinés par leurs formations intéressantes. La chimie est liée à la formation des cheminées hydrothermales et à la corrosion des surfaces en acier où des tubes insolubles peuvent se former.
« Les gens se sont rendu compte qu’il s’agissait de choses particulières », a déclaré M. Steinbock. « Ils ont une très longue histoire en chimie. Il s’agissait plutôt d’une expérience de démonstration, mais au cours des 10 à 20 dernières années, les scientifiques ont recommencé à s’y intéresser. »
L’inspiration pour le modèle mathématique développé par Steinbock, avec le chercheur postdoctoral Bruno Batista et l’étudiant diplômé Amari Morris, est venue d’expériences qui injectaient régulièrement une solution saline dans un plus grand volume de solution de silicate entre deux plaques horizontales. Ces expériences ont montré des modes de croissance distincts et que le matériau commence par être extensible, mais qu’en vieillissant, il devient plus rigide et a tendance à se briser.
Le confinement entre deux couches a permis aux chercheurs de simuler un certain nombre de formes différentes, dont certaines ressemblent à des fleurs, des cheveux, des spirales et des vers.
Dans leur modèle, les chercheurs ont décrit comment ces motifs émergent au cours du développement du jardin chimique. La composition chimique des solutions salines peut varier considérablement, mais leur modèle explique l’universalité de leur formation.
Par exemple, les motifs peuvent consister en des particules libres, des membranes pliées ou des filaments auto-extensibles. Le modèle a également validé les observations selon lesquelles les membranes fraîches s’étendent en réponse à des micro-brisures, ce qui démontre les capacités d’autoréparation du matériau.
« La bonne chose que nous avons obtenue, c’est que nous sommes entrés dans l’essence de ce qui est nécessaire pour décrire la forme et la croissance des jardins chimiques », a déclaré Batista.
Référence : « Pattern selection by material aging : Modeling chemical gardens in two and three dimensions » par Bruno C. Batista, Amari Z. Morris et Oliver Steinbock, 3 juillet 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2305172120
Ce travail a été soutenu par la NASA et la National Science Foundation.