Pas tout à fait des cristaux et pas tout à fait un verre, les quasi-cristaux sont une bizarrerie dont les propriétés ne sont pas bien comprises – mais maintenant nous savons comment ils peuvent rester stables
Un rendu d'une structure quasi-cristal
Les quasi-cristaux sont rares et étranges, mais les chercheurs ont maintenant montré qu'ils peuvent être la configuration la plus stable pour certains atomes – et pourquoi ils peuvent exister.
Dans les cristaux, les atomes forment des grilles prévisibles, ce qui les rend très stables. Dans le verre – à la fois le type ordinaire qui constitue des verres à boire et des lunettes plus exotiques comme l'obsidienne formée dans les volcans – les atomes ne suivent aucune commande. Les lunettes sont métastables, donc un changement dans leur environnement comme le chauffage ou de petites impuretés de quelques atomes errants du mauvais élément, peut les faire devenir un type de matière différent. Étant donné suffisamment de temps, tout ce qui est atomiquement amorphe pour être classé comme verre finira également par cristalliser.
Mais les quasi-cristaux chevauchent le milieu – leurs atomes sont disposés en modèles, mais ces modèles ne se répètent jamais – et la façon dont ils restent stables ont longtemps été un point d'interrogation.
Wenhao Sun à l'Université du Michigan et ses collègues ont maintenant utilisé des simulations informatiques avancées pour trouver la réponse. Ils se sont concentrés sur deux quasi-cristaux connus, l'un fabriqué à partir de scandium et de zinc et l'autre de Ytterbium et Cadmium, et ont simulé une série de nanoparticules de quasi-cristaux de plus en plus grandes. À chaque étape, ils ont calculé l'énergie des quasi-cristaux et l'ont comparée aux énergies que les atomes auraient dans des arrangements plus conventionnels de type cristal.
Les lois de la physique dictent que la plupart des objets stables sont faits d'atomes dont l'énergie collective est aussi faible que possible, et c'est exactement ce que les chercheurs ont trouvé – l'étrange quascristal était favorisé par rapport aux structures atomiques plus courantes parce que l'énergie nécessaire pour le maintenir était faible.
Sun dit que cela a été quelque peu inattendu parce que la comparaison avec le verre conduit souvent les physiciens à intudier que les quasi-cristaux devraient être métastables. Ils étaient auparavant difficiles à comprendre car les méthodes de simulation de pointe ont tendance à assumer des arrangements parfaitement périodiques des atomes, explique Vikram Gavini, membre de l'équipe à l'Université du Michigan. Les chercheurs ont utilisé une approche informatique innovante, et leurs simulations ont montré que la croissance des quasi-cristaux en laboratoire nécessiterait des conditions très spécifiques, ce qui n'est pas inattendu car ils sont rarement trouvés dans la nature.
«Les quasi-cristaux ont des propriétés vibratoires extraordinaires, qui sont liées à la conductivité thermique et aux effets thermoélectriques. Avec la nouvelle méthode, nous pourrions être en mesure de les étudier», explique Peter Bommemer à l'Université de Warwick au Royaume-Uni. « Peut-être que le prochain supermatéral sera découvert non pas dans un laboratoire mais sur un ordinateur. »
