À l’intérieur de la matrice cristalline : la nouvelle technique de « vision aux rayons X » permet de voir l’intérieur des cristaux

En développant des particules transparentes et en imaginant leurs positions, les chercheurs ont mis en lumière des intérieurs inédits de structures cristallines.

Une équipe de L'Université de New York Les chercheurs ont créé une nouvelle façon de visualiser les cristaux en scrutant l’intérieur de leurs structures, semblable à une vision aux rayons X. Leur nouvelle technique, qu’ils ont justement baptisée « Crystal Clear », combine l’utilisation de particules transparentes et de microscopes avec des lasers qui permettent aux scientifiques de voir chaque unité qui compose le cristal et de créer des modèles tridimensionnels dynamiques.

« Il s'agit d'une plateforme puissante pour étudier les cristaux », déclare Stefano Sacanna, professeur de chimie à NYU et chercheur principal de l'étude, publiée dans la revue Matériaux naturels. «Auparavant, si vous regardiez un cristal colloïdal au microscope, vous ne pouviez avoir qu'une idée de sa forme et de la structure de sa surface. Mais nous pouvons désormais voir l’intérieur et connaître la position de chaque unité de la structure.

Comprendre les structures cristallines

Les cristaux atomiques sont des matériaux solides dont les éléments constitutifs sont positionnés de manière répétée et ordonnée. De temps en temps, un atome est manquant ou déplacé, ce qui entraîne un défaut. La disposition des atomes et des défauts est ce qui crée différents matériaux cristallins – du sel de table aux diamants – et leur confère leurs propriétés.

Pour étudier les cristaux, de nombreux scientifiques, dont Sacanna, se tournent vers des cristaux composés de minuscules sphères appelées particules colloïdales plutôt que d'atomes. Les particules colloïdales sont minuscules – souvent autour d’un micromètre de diamètre, soit des dizaines de fois plus petites qu’un cheveu humain – mais sont beaucoup plus grosses que les atomes et donc plus faciles à voir au microscope.

Un scan 3D et un modèle numérique du « jumelage » des cristaux révèlent un plan commun aux cristaux adjacents, qui donne naissance à leur forme. Crédit : Shihao Zang, NYU

Techniques d'imagerie avancées

Dans leurs travaux en cours visant à comprendre comment se forment les cristaux colloïdaux, les chercheurs ont reconnu la nécessité de voir l’intérieur de ces structures. Dirigée par Shihao Zang, doctorant dans le laboratoire de Sacanna et premier auteur de l'étude, l'équipe a entrepris de créer une méthode permettant de visualiser les éléments constitutifs à l'intérieur d'un cristal. Ils ont d’abord développé des particules colloïdales transparentes et ajouté des molécules colorantes pour les marquer, permettant ainsi de distinguer chaque particule au microscope grâce à leur fluorescence.

Un microscope à lui seul ne permettrait pas aux chercheurs de voir l'intérieur d'un cristal. Ils se sont donc tournés vers une technique d'imagerie appelée microscopie confocale, qui utilise un faisceau laser qui balaye le matériau pour produire une fluorescence ciblée à partir des molécules de colorant. Cela révèle chaque plan bidimensionnel d'un cristal, qui peut être empilé les uns sur les autres pour construire un modèle numérique tridimensionnel et identifier l'emplacement de chaque particule. Les modèles peuvent être tournés, coupés et démontés pour examiner l’intérieur des cristaux et déceler d’éventuels défauts.

Dans une série d’expériences, les chercheurs ont utilisé cette méthode d’imagerie sur des cristaux qui se forment lorsque deux cristaux du même type se développent ensemble – un phénomène connu sous le nom de « jumelage ». Lorsqu'ils ont examiné à l'intérieur des modèles de cristaux ayant des structures équivalentes au sel de table ou à un alliage de cuivre et d'or, ils pouvaient voir le plan commun des cristaux adjacents, défaut qui donne naissance à ces formes particulières. Ce plan partagé a révélé l'origine moléculaire du jumelage.

Analyse dynamique des cristaux

En plus d’observer les cristaux statiques, cette nouvelle technique permet aux scientifiques de visualiser les cristaux à mesure qu’ils changent. Par exemple, que se passe-t-il lorsque les cristaux fondent : les particules se réorganisent-elles et les défauts se déplacent ? Dans une expérience dans laquelle les chercheurs ont fait fondre un cristal ayant la structure du sel minéral chlorure de césium, ils ont été surpris de constater que les défauts étaient stables et ne se déplaçaient pas comme prévu.

Afin de valider leurs expériences sur des cristaux statiques et dynamiques, l’équipe a également utilisé des simulations informatiques pour créer des cristaux présentant les mêmes caractéristiques, confirmant que leur méthode « Crystal Clear » capturait avec précision ce qu’il y avait à l’intérieur des cristaux.

« Dans un sens, nous essayons de mettre nos propres simulations hors service avec cette expérience : si vous pouvez voir à l'intérieur du cristal, vous n'aurez peut-être plus besoin de simulations », plaisante Glen Hocky, professeur adjoint de chimie à NYU, une faculté membre du Simons Center for Computational Physical Chemistry à NYU et co-auteur correspondant de l'étude.

Applications futures dans la recherche sur les cristaux

Maintenant que les scientifiques disposent d’une méthode pour visualiser l’intérieur des cristaux, ils peuvent étudier plus facilement leur histoire chimique et la façon dont ils se forment, ce qui pourrait ouvrir la voie à la construction de meilleurs cristaux et au développement de matériaux photoniques qui interagissent avec la lumière.

« Être capable de voir l'intérieur des cristaux nous donne une meilleure idée du fonctionnement du processus de cristallisation et peut peut-être nous aider à optimiser le processus de croissance des cristaux par conception », ajoute Sacanna.

Parmi les autres auteurs de l'étude figurent Adam Hauser et Sanjib Paul de NYU. La recherche a été soutenue par le Bureau de recherche de l'armée américaine (numéro de récompense W911NF-21-1-0011), avec le soutien supplémentaire du National Institute of Health (R35GM138312), et a utilisé les ressources informatiques hautes performances de NYU IT, y compris celles soutenues par le Simons. Centre de chimie physique computationnelle à NYU (numéro de subvention 839534).