Résumé :
Une équipe de recherche dirigée par l'Université de Californie à Los Angeles (UCLA) a récemment annoncé une nouvelle étude sur la formation des cristaux. Pour la première fois, les scientifiques ont utilisé la technologie d'imagerie atomique tridimensionnelle pour observer le processus de nucléation du cristal atome par atome et ont découvert qu'il n'y avait pas de frontière claire entre la structure ordonnée à l'intérieur du cristal et le matériau désordonné environnant, comme le décrit la théorie classique. Cette découverte pourrait changer la compréhension fondamentale de la façon dont les cristaux se forment lors des transitions de phase dans la matière.
Depuis près d'un siècle, les scientifiques s'appuient sur la théorie classique de la nucléation pour expliquer les processus de changement de phase tels que la congélation des liquides et la condensation des gaz. Cette théorie soutient que de minuscules régions ordonnées, appelées noyaux cristallins, se formeront d’abord à l’intérieur de la substance, puis continueront à croître, pour finalement former des cristaux complets. Les équations fondamentales qui sous-tendent cette théorie ont été étayées par des milliers d’expériences.
Cependant, lorsque les chercheurs ont observé la formation de cristaux dans un espace tridimensionnel, atome par atome, la structure réelle du noyau cristallin était différente de ce que prédisait le modèle classique. L’équipe de recherche a utilisé des nanoparticules d’alliage complexes composées de plusieurs éléments métalliques et a développé une méthode pour geler les noyaux cristallins à différentes étapes de formation, leur permettant d’observer ce processus, qui se produit généralement extrêmement rapidement.
Les chercheurs ont découvert que la transition des cristaux ordonnés vers le matériau désordonné environnant se produit progressivement, plutôt que soudainement, avec une ligne de démarcation claire. Jianwei "John" Miao, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA, membre du California Nanosystems Institute et auteur correspondant de l'article, a déclaré que le noyau cristallin n'a pas une structure interne uniforme et des limites claires comme le décrit la théorie classique de la nucléation. Au contraire, la région centrale de chaque noyau cristallin présente la cristallinité la plus élevée. Plus la frontière est proche, plus l’arrangement atomique devient désordonné, formant un gradient continu.
Afin d'expliquer ce phénomène, l'équipe de recherche a proposé un « modèle de chemin de nucléation dégradé » plus complexe. Ce nouveau modèle ne bouleverse pas la théorie classique de la nucléation, mais l’étend plutôt. Miao a déclaré que la théorie classique peut en fait être considérée comme un cas particulier du nouveau modèle : si ce cas particulier est intégré aux nouvelles équations, vous pouvez obtenir exactement les mêmes résultats que la théorie classique de la nucléation. Mais dans les expériences réelles, les chercheurs n’ont jamais observé de limites claires à l’échelle atomique, mais ont plutôt observé cette structure de gradient à plusieurs reprises.
Le processus de nucléation existe largement dans les systèmes naturels et techniques tels que la formation de gouttelettes nuageuses et la fabrication industrielle. Par conséquent, re-comprendre ce processus peut affecter de multiples domaines de recherche et servir de référence pour le développement de nouvelles technologies.
Pour capturer les différentes étapes de la formation des cristaux, les chercheurs ont d'abord chauffé les nanoparticules à plus de 3 000 degrés Fahrenheit (environ 1 649 degrés Celsius), puis les ont rapidement refroidies à température ambiante en quelques centièmes de seconde. Un refroidissement rapide initie le processus de formation des cristaux tout en permettant aux noyaux cristallins des différentes nanoparticules de rester à leurs différents stades de développement.
Miao a expliqué que le temps requis pour la collecte de données est beaucoup plus long que le processus de nucléation lui-même, les chercheurs doivent donc d'abord « geler » le processus de formation des cristaux avant de pouvoir étudier le phénomène de nucléation à différentes étapes.
L'équipe de recherche a ensuite utilisé la tomographie électronique atomique pour effectuer une reconstruction tridimensionnelle atome par atome de chaque nanoparticule, ainsi qu'une analyse statistique avancée pour quantifier le degré d'ordre dans différentes régions. L’ensemble des données contient plus de 8 000 noyaux, dont la taille varie de moins de 10 atomes à plus de 1 000 atomes.
Les chercheurs ont observé à plusieurs reprises le même schéma dans ces noyaux : le degré d'ordre atomique était le plus élevé dans la région centrale et diminuait progressivement vers la surface. À mesure que le noyau cristallin continue de croître, le degré d’ordre dans sa région centrale va encore augmenter.
Ces structures de gradient modifient également la compréhension des chercheurs sur l'énergie nécessaire à la formation des noyaux cristallins. La théorie classique de la nucléation soutient que les noyaux cristallins doivent surmonter un besoin énergétique minimum clair, ce qu’on appelle une barrière énergétique. Seuls quelques noyaux cristallins disposant de suffisamment d’énergie peuvent traverser ce « mur ».
Cependant, les résultats expérimentaux montrent que le processus de nucléation ne franchit pas nécessairement la barrière énergétique d'un coup, mais s'achève progressivement en passant par plusieurs étapes intermédiaires. Miao a comparé cela à escalader un mur : la théorie classique veut que le noyau cristallin doit grimper directement par-dessus un mur, mais les résultats de la recherche montrent que la nature a peut-être adopté une méthode plus efficace, en grimpant étape par étape à travers une échelle et en utilisant plusieurs états intermédiaires pour surmonter les barrières énergétiques. L'équipe de recherche estime que le nouveau modèle de chemin de nucléation par gradient peut décrire ce processus et expliquer pourquoi les noyaux cristallins peuvent être formés plus efficacement.
Le processus complet de changement de phase nécessite également que différents noyaux cristallins se combinent les uns avec les autres. L’équipe de recherche a également découvert un phénomène inattendu dans ce processus : de nombreux noyaux cristallins proches les uns des autres ont déjà presque la même orientation avant de fusionner, ce qui facilite leur combinaison finale.
Miao a dit qu'il était surprenant que de nombreux noyaux soient déjà presque alignés avant de fusionner. Cela reflète peut-être un chemin de formation à plus faible énergie, mais montre également qu'il reste encore beaucoup à explorer sur la manière dont la nature organise la matière.
Les alliages à haute entropie et à moyenne entropie utilisés dans cette expérience n'ont commencé à apparaître qu'il y a environ 20 ans. Ces matériaux sont fabriqués à partir de plusieurs éléments métalliques mélangés dans des proportions à peu près égales, contrairement aux alliages traditionnels tels que l'acier où un seul élément primaire domine. Leur structure atomique hautement mixte peut produire des combinaisons inhabituelles de propriétés telles que la résistance et la flexibilité, et peut également être utilisée pour créer des catalyseurs de réaction chimique plus efficaces et plus durables.
Comprendre le processus de nucléation de ces matériaux peut aider les chercheurs à mieux les concevoir et les développer, a déclaré Miao. Dans le même temps, l’équipe de recherche estime que ce modèle peut également être largement appliqué à d’autres systèmes de nucléation.
La nucléation étant un phénomène omniprésent dans la nature et dans les systèmes techniques, cette recherche pourrait avoir un impact sur des domaines aussi divers que les sciences physiques, la modélisation climatique, l'alimentation, les produits pharmaceutiques, les semi-conducteurs et l'électronique. La méthode d’imagerie atomique utilisée cette fois-ci pourrait également fournir aux chercheurs un nouvel outil pour explorer le déroulement du processus de nucléation.
Pour Miao, l'importance la plus importante de cette recherche est qu'elle pourrait inciter la communauté scientifique à repenser la façon dont la matière s'organise lors des changements de phase. Il a déclaré que l'équipe de recherche estime que ces travaux modifieront la compréhension des chercheurs sur les phénomènes de nucléation et espère que les futurs manuels refléteront éventuellement cette nouvelle compréhension.
Cette recherche, intitulée "Crystal Nucleation and Growth in High-Entropy Alloys Revealed by Atomic Electron Tomography", a été publiée dans la revue Nature Materials le 25 août 2026. La recherche a été principalement soutenue par la Division de la science et de l'ingénierie des matériaux du programme de science énergétique de base du Bureau des sciences du département américain de l'énergie.
Commentaires