Une nouvelle étude a découvert que les structures cristallines, cruciales dans la science des matériaux et les technologies telles que les semi-conducteurs et les panneaux solaires, ne sont pas nécessairement toujours disposées de manière régulière. Ils ont découvert que l’empilement aléatoire de couches hexagonales (RHCP), précédemment considéré comme un état transitoire, est probablement stable et pourrait fournir de nouvelles propriétés utiles dans les matériaux polytypiques tels que le carbure de silicium utilisé dans l’électronique à haute tension et les gilets pare-balles.
Les croyances antérieures ont été bouleversées par la découverte de structures irrégulières.
Pour beaucoup, le mot « cristal » évoque des images d’attrape-soleil scintillants qui créent un prisme de couleurs arc-en-ciel ou de pierres semi-transparentes censées posséder des vertus curatives. Mais dans le domaine de la science et de l’ingénierie, les cristaux revêtent une définition plus technique. Ils sont perçus comme des matériaux dont les composants – qu’il s’agisse d’atomes, de molécules ou de nanoparticules – sont disposés régulièrement dans l’espace. En d’autres termes, les cristaux se définissent par l’agencement régulier de leurs constituants. Les diamants, le sel de table et les morceaux de sucre en sont des exemples familiers.
Sangwoo Lee. Crédit : Rensselaer Polytechnic Institute
Contrairement à cette définition largement acceptée, une étude récente dirigée par Sangwoo Lee, professeur associé au département de génie chimique et biologique du Rensselaer Polytechnic Institute, a dévoilé un aspect intriguant des structures cristallines, révélant que la disposition des composants dans les cristaux n’est pas toujours nécessairement régulière.
Cette découverte fait progresser le domaine de la science des matériaux et a des implications inattendues pour les matériaux utilisés dans les semi-conducteurs, les panneaux solaires et les technologies des véhicules électriques.
L’une des catégories les plus courantes et les plus importantes de structures cristallines est celle des structures à empilement serré de sphères régulières construites en empilant des couches de sphères dans un arrangement en nid d’abeille. Il existe de nombreuses façons d’empiler les couches pour construire des structures en nid d’abeille, et la manière dont la nature sélectionne un empilement spécifique est une question importante dans la recherche sur les matériaux et la physique. Dans la construction à empilement serré, il existe une structure très inhabituelle avec des constituants irrégulièrement espacés, connue sous le nom d’empilement aléatoire de couches hexagonales bidimensionnelles (RHCP). Cette structure a été observée pour la première fois dans le cobalt métal en 1942, mais elle a été considérée comme un état transitoire et énergétiquement non préféré.
Le groupe de recherche de Lee a recueilli des données de diffusion des rayons X à partir de nanoparticules souples composées de polymères et s’est rendu compte que les données de diffusion contenaient des résultats importants sur le RHCP, mais qu’elles étaient très compliquées. Patrick Underhill, professeur au département de génie chimique et biologique de Rensselaer, a alors permis l’analyse des données de diffusion à l’aide du système de superordinateur AiMOS (Artificial Intelligence Multiprocessing Optimized System) du Center for Computational Innovations.
« Ce que nous avons découvert, c’est que la structure RHCP est très probablement une structure stable, et c’est la raison pour laquelle la structure RHCP a été largement observée dans de nombreux matériaux et systèmes cristallins naturels », a déclaré Lee. « Cette découverte remet en question la définition classique des cristaux.
L’étude permet de mieux comprendre le phénomène connu sous le nom de polytypisme, qui permet la formation de RHCP et d’autres structures à empilement serré. Un matériau représentatif du polytypisme est le carbure de silicium, largement utilisé dans l’électronique haute tension des véhicules électriques et comme matériau dur pour les gilets pare-balles. Les résultats obtenus par l’équipe de Lee indiquent que ces matériaux polytypiques peuvent présenter des transitions structurelles continues, y compris des arrangements aléatoires non classiques dotés de nouvelles propriétés utiles.
« Le problème de l’empaquetage des particules molles semble simple, mais même les questions les plus fondamentales sont difficiles à résoudre », a déclaré Kevin Dorfman de l’Université du Minnesota-Twin Cities, qui n’est pas impliqué dans cette recherche. « Cet article fournit des preuves irréfutables d’une transition continue entre les réseaux cubiques à faces centrées (FCC) et les réseaux hexagonaux fermés (HCP), ce qui implique une phase hexagonale fermée aléatoire stable entre les deux et, par conséquent, constitue une percée importante dans la science des matériaux.
« Je suis particulièrement satisfait de cette découverte, qui montre la puissance de l’informatique avancée pour réaliser une percée importante dans la science des matériaux en décodant les structures au niveau moléculaire dans les matériaux mous », a déclaré Shekhar Garde, doyen de l’école d’ingénierie de Rensselaer. « Les travaux de Lee et Underhill à Rensselaer promettent également d’ouvrir la voie à de nombreuses applications technologiques pour ces nouveaux matériaux ».
Référence : « Continuous transition of colloidal crystals through stable random orders » par Juhong Ahn, Liwen Chen, Patrick T. Underhill, Guillaume Freychet, Mikhail Zhernenkovc et Sangwoo Lee, 14 avril 2023, Soft Matter.
DOI : 10.1039/D3SM00199G
Lee et Underhill ont été rejoints dans leurs recherches par Juhong Ahn de Rensselaer, Liwen Chen de l’Université de Shanghai pour la science et la technologie, et Guillaume Freychet et Mikhail Zhernenkov du Brookhaven National Laboratory.