Les cristaux subissent une fluctuation stochastique entre les états cristallins et désordonnés au stade le plus précoce de leur croissance – Science

La conversion de la plupart des matériaux en structure cristalline organisée commence par le processus de nucléation. Un exemple quotidien que de nombreuses personnes connaissent peut-être est la cristallisation rapide de l’eau surfondue après la nucléation d’un germe cristallin. Ce phénomène laisse perplexe à la fois les scientifiques et les gens ordinaires. Le processus de nucléation, dans lequel les atomes se rassemblent et forment les plus petits cristaux, est un phénomène scientifique important largement étudié depuis la fin des années 1800. La théorie classique de la nucléation stipule que l’assemblage des monomères en une structure cristalline se produit de manière unidirectionnelle. D’autre part, certains ont suggéré qu’un processus de cristallisation non classique impliquant des structures cristallines intermédiaires métastables peut se produire dans certains systèmes. Cependant, il a été extrêmement difficile de confirmer ces théories par l’observation directe car la nucléation se produit très rapidement et la taille d’un noyau peut être aussi petite que quelques atomes.

Ce mystère centenaire a finalement été résolu par une équipe de recherche conjointe internationale dirigée par LEE Won Chul, professeur de génie mécanique à l’université de Hanyang Erica Campus, JEON Sungho, chercheur postdoctoral en génie mécanique à l’université de Hanyang Erica Campus, PARK Jungwon, professeur de École de génie chimique et biologique de l’Université nationale de Séoul et Centre de recherche sur les nanoparticules de l’Institut des sciences fondamentales (IBS), et Peter ERCIUS du Lawrence Berkeley National Laboratory. L’équipe de recherche commune a réussi à observer le moment de l’état initial de la nucléation des nanocristaux.

Les scientifiques ont réussi à filmer le processus où les atomes d’or se rassemblent pour former des nanocristaux. Pour observer l’état initial du processus de nucléation, l’équipe a synthétisé des nanocristaux d’or en émettant un faisceau d’électrons sur des nanorubans de cyanure d’or au-dessus d’une membrane de graphène, qui décompose les nanorubans en atomes d’or. Le spécimen synthétisé a été observé avec le microscope électronique à transmission haute performance (MET) au Lawrence Berkeley National Laboratory. Le processus a été enregistré à une résolution spatiale au niveau atomique et une résolution temporelle ultra-élevée sur une échelle de millisecondes.

L’observation TEM a montré la disparition et la réapparition brusques de structures cristallines avant l’émergence d’une structure cristalline stable. Grâce à une analyse minutieuse, l’équipe a exclu certains facteurs pouvant entraîner de telles observations, tels que l’orientation, l’inclinaison et la rotation rapide des nanocristaux. Par conséquent, les résultats observés semblent indiquer que les atomes constituant le noyau oscillent au hasard entre les états désordonné et cristallin. Cette fluctuation structurelle semble se produire spontanément de manière stochastique. La découverte de l’équipe a directement remis en question la théorie de la nucléation de longue date ainsi qu’une théorie de nucléation plus récente qui a été proposée au cours des deux dernières décennies.

De plus, l’équipe a constaté que la stabilité de l’état cristallin augmentait à mesure que la taille des nanocristaux augmentait. Par exemple, les nanocristaux avec des zones de 2,0 nm2 ont passé environ la moitié du temps à exister dans un état cristallin. Lorsque la taille des cristaux augmentait à une surface supérieure à 4,0 nm2, les cristaux semblaient exister la plupart du temps sous une forme cristalline.

Afin de décrire ce phénomène, l’équipe a proposé une nouvelle théorie thermodynamique de la nucléation cristalline. L’étude a proposé que la barrière d’énergie entre la transformation cristalline et désordonnée a tendance à être très faible au stade le plus précoce de la nucléation lorsque la taille de l’amas est petite et qu’elle augmente à mesure que davantage d’atomes sont ajoutés à la structure. Cela peut expliquer la fluctuation spontanée entre les états cristallins et désordonnés dans les cristaux naissants composés de quelques atomes. L’équipe a également souligné que dans des nanocristaux relativement plus petits, même l’ajout d’atomes supplémentaires peut transférer suffisamment d’énergie dans le système pour transformer toute la structure en un état désordonné. La barrière d’énergie augmente avec la croissance du cristal, ce qui réduit la probabilité de réversion spontanée et stabilise les structures cristallines dans les cristaux plus gros.

En ce qui concerne ces résultats, le professeur Jungwon Park a déclaré que “d’un point de vue scientifique, nous avons découvert un nouveau principe de processus de nucléation cristalline, et nous l’avons prouvé expérimentalement.” Le professeur Won Chul Lee a mentionné que “d’un point de vue technique, en reproduisant l’état initial du processus de dépôt, il peut être utilisé pour obtenir une technologie originale dans les matériaux, composants et équipements semi-conducteurs.”

Source de l’histoire:

Matériel fourni par l’Institute for Basic Science. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

.

Lire plus

A propos Technoguide

Voir aussi

M1 MacBook Air, Pro, Mini mode de récupération, comment y accéder [Tutorial]

Nous vous montrerons comment accéder au mode de récupération sur votre MacBook Air, MacBook Pro …

Laisser un commentaire

Votre adresse e-mail ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *

Défiler vers le haut