Analyse en temps réel tridimensionnelle de la cristallisation des colloïdes ioniques

Contexte et motivation

Dans l’étude des cristaux moléculaires, la structure est généralement identifiée par des techniques de diffraction, car nous ne pouvons pas observer directement la structure interne. Les particules colloïdales à l’échelle micronique, en raison de leur volume plus important, nous permettent d’observer leur processus de cristallisation en temps réel au microscope optique. Cependant, ce processus est encore limité par le manque de “vision aux rayons X” dans la pratique. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont développé un système de particules colloïdales fluorescentes à indice de réfraction assorti, démontrant la formation stable de cristaux ioniques en solution aqueuse, et prouvant que leur structure peut être contrôlée par le rapport de taille et la concentration en sel.

Source de la recherche

Cette recherche a été menée par Shihao Zang, Adam W. Hauser, Sanjib Paul, Glen M. Hocky et Stefano Sacanna du département de chimie de l’Université de New York (New York University), et publiée en 2024 dans la revue Nature Materials. Le DOI de l’article est : https://doi.org/10.1038/s41563-024-01917-w.

Procédure de recherche

1. Synthèse et marquage des particules colloïdales

L’équipe de recherche a d’abord conçu et développé une méthode de synthèse de particules colloïdales chargées positivement et négativement, en utilisant une polymérisation en émulsion sans tensioactif, et en utilisant différents amorceurs pour assurer la monodispersité et la stabilité des particules. La synthèse des particules chargées positivement a utilisé l’amorceur 2,2’-azobis(2-méthylpropionamidine) dihydrochlorure (AIBA) et un comonomère contenant un sel d’ammonium quaternaire pour stabiliser la charge positive. Les particules chargées négativement ont utilisé l’amorceur persulfate de potassium (KPS). Ces particules ont été marquées par fluorescence pour une identification claire au microscope confocal laser à balayage (CLSM).

2. Assemblage et imagerie des cristaux colloïdaux ioniques

La recherche a utilisé la méthode PACs (auto-assemblage coulombien atténué par polymère) pour assembler des cristaux colloïdaux multicomposants dans l’eau, et les imager par microscopie confocale. En ajustant le rapport de taille des particules et la concentration en sel, différentes structures cristallines telles que CsCl et Cu3Au ont pu être formées. En particulier, un système de particules colloïdales à indice de réfraction proche (comme PFpMA) a été utilisé dans une solution de 40% de diméthylsulfoxyde (DMSO), rendant le système de particules presque transparent au CLSM, éliminant ainsi les problèmes de diffusion laser.

3. Reconstruction 3D et identification de la structure cristalline

Les données de balayage en Z obtenues par CLSM ont été reconstruites en 3D et les coordonnées des particules ont été résumées à l’aide du package logiciel Trackpy. Enfin, les diagrammes de diffraction des rayons X simulés ont été comparés aux résultats expérimentaux et simulés pour confirmer la structure cristalline.

Principaux résultats de la recherche

1. Localisation 3D des particules et identification de la structure cristalline: Grâce au CLSM et au package logiciel Trackpy, un positionnement précis des particules colloïdales et une reconstruction 3D de la structure interne ont été réalisés. La génération simulée de diagrammes de diffraction des rayons X a permis de confirmer les types de structures cristallines colloïdales.

2. Analyse dynamique des défauts : L’étude a permis d’observer les changements dynamiques des défauts internes du cristal, tels que les lacunes et les défauts d’antisite, et de révéler, grâce au suivi tridimensionnel dynamique, le comportement statique ou mobile de ces défauts lors de la fusion du cristal.

3. Analyse des structures cristallines maclées : Grâce aux données CLSM et à la reconstruction 3D, l’équipe de recherche a pu identifier les joints de macle à l’intérieur du cristal et simuler l’impact de ces structures maclées sur la morphologie macroscopique du cristal.

Conclusion et valeur de la recherche

Cette étude a démontré l’analyse tridimensionnelle en temps réel des cristaux colloïdaux ioniques en utilisant des particules colloïdales fluorescentes à indice de réfraction assorti et un microscope confocal laser à balayage (CLSM). La recherche a révélé la structure interne complexe et les défauts dynamiques des cristaux colloïdaux, fournissant ainsi une nouvelle perspective pour comprendre les défauts dans les cristaux réels, le processus de fusion cristalline et les mécanismes de macles structurelles.

Cette technique n’est pas limitée aux systèmes modèles colloïdaux existants, mais peut être étendue à l’étude d’un large éventail de solides ioniques et de structures complexes, offrant un outil puissant dans le domaine des sciences des matériaux, en particulier pour explorer de nouveaux matériaux fonctionnels. De plus, grâce au développement de particules colloïdes cœur-coquille avec un indice de réfraction encore plus faible, une amélioration de la précision du suivi des particules est attendue à l’avenir, permettant ainsi une étude approfondie des paramètres thermodynamiques et cinétiques contrôlant le processus de cristallisation.

Points forts de la recherche

1. Nouveau système de particules colloïdales à indice de réfraction assorti : La synthèse de nouvelles particules colloïdales chargées positivement et négativement à indice de réfraction proche a résolu le problème de diffusion laser dans les microscopes optiques traditionnels.

2. Imagerie dynamique tridimensionnelle en temps réel : Première réalisation de l’imagerie tridimensionnelle dynamique en temps réel de l’intérieur des cristaux colloïdaux ioniques, révélant les mécanismes de formation et de mouvement des défauts cristallins.

3. Identification précise de multiples structures cristallines : En simulant les diagrammes de diffraction des rayons X, non seulement les structures cristallines de type CsCl et Cu3Au ont été identifiées expérimentalement, mais d’autres structures cristallines non rapportées auparavant ont également été identifiées.

4. Promotion des applications pratiques : La méthodologie de recherche présente un potentiel d’application étendu dans le domaine des sciences des matériaux, en particulier dans la conception de nouveaux matériaux optoélectroniques et la compréhension des mécanismes de croissance cristalline.

Cette recherche a non seulement comblé les lacunes dans l’étude de la structure interne et de la dynamique tridimensionnelle des cristaux colloïdaux, mais a également fourni un nouvel outil et une nouvelle méthodologie, stimulant ainsi le développement des sciences colloïdales et des matériaux.