Let it snow : des scientifiques fabriquent des flocons de neige métalliques à partir de nanoparticules

Il y a rarement le temps d’écrire sur chaque histoire scientifique intéressante qui nous arrive. Donc cette année, nous publions à nouveau une série spéciale de publications sur les douze jours de Noël, mettant en lumière une histoire scientifique qui est tombée entre les mailles du filet en 2022, chaque jour du 25 décembre au 5 janvier. Aujourd’hui : des scientifiques de Nouvelle-Zélande et d’Australie ont créé petits flocons de neige métalliques.

Des scientifiques néo-zélandais et australiens menaient des expériences à l’échelle atomique avec divers métaux dissous dans un solvant liquide de gallium lorsqu’ils ont remarqué quelque chose d’inhabituel : différents types de métaux auto-assemblés en différentes formes de cristaux, le zinc créant de minuscules flocons de neige métalliques. Ils ont décrit leurs résultats dans un article publié plus tôt ce mois-ci dans la revue Science.

« Contrairement aux approches descendantes pour former des nanostructures – en coupant du matériau – ces approches ascendantes reposent sur l’auto-assemblage des atomes », a déclaré le co-auteur Nicola Gaston de l’Université d’Auckland. « C’est ainsi que la nature fabrique les nanoparticules, et c’est à la fois moins coûteux et beaucoup plus précis que les méthodes descendantes. Il y a aussi quelque chose de très cool à créer un flocon de neige métallique !

Les flocons de neige sont l’exemple le plus connu de croissance cristalline, du moins parmi la population générale. On sait depuis longtemps que dans certaines conditions, la vapeur d’eau peut se condenser directement en minuscules cristaux de glace, formant généralement la forme d’un prisme hexagonal (deux faces « basales » hexagonales et six faces « prismes » rectangulaires). Mais ce cristal attire également plus de gouttes d’eau refroidies dans l’air. Des ramifications jaillissent des coins des monocristaux pour former des flocons de neige aux formes de plus en plus complexes.

Les formes des flocons de neige et des cristaux de neige fascinent depuis longtemps les scientifiques, comme Johannes Kepler, qui s’est éloigné de son observation des étoiles en 1611 pour publier un court article intitulé « On the Six-Cornered Snowflake ». Il était intrigué par le fait que les cristaux de neige semblent toujours présenter une symétrie sextuple. Quelque 20 ans plus tard, René Descartes devient poétique après avoir observé des flocons de neige à 12 côtés beaucoup plus rares, « si parfaitement formés en hexagones et dont les six côtés étaient si droits, et les six angles si égaux, qu’il est impossible aux hommes de faire quoi que ce soit ». si exacte. » Il s’est demandé comment une telle forme parfaitement symétrique aurait pu être créée, et est finalement arrivé à une description raisonnablement précise du cycle de l’eau, ajoutant qu ‘ »ils étaient obligés de s’arranger de telle manière que chacun soit entouré de six autres dans le même plan. , suivant l’ordre ordinaire de la nature. »

de Robert Hooke Micrographie, publié en 1665, contenait quelques croquis de flocons de neige qu’il observait au microscope. Mais personne n’a réalisé une étude vraiment systématique des cristaux de neige jusqu’aux années 1950, lorsqu’un physicien nucléaire japonais nommé Ukichiro Nakaya a identifié et catalogué tous les principaux types de cristaux de neige. Nakaya a été la première personne à faire pousser des cristaux de neige artificielle en laboratoire. En 1954, il publie un livre sur ses découvertes: Cristaux de neige : naturels et artificiels.

Grâce au travail de pionnier de Nakaya, nous savons que certaines conditions atmosphériques, comme la température et l’humidité, peuvent influencer la forme d’un flocon de neige. Des formes en forme d’étoile se forment à -2 degrés Celsius et -15 degrés Celsius, tandis que des colonnes se forment à -5 degrés Celsius et à nouveau à environ -30 degrés Celsius. Et plus l’humidité est élevée, plus la forme est complexe. Si l’humidité est particulièrement élevée, elles peuvent même former de longues aiguilles ou de grandes plaques minces.

Kenneth Libbrecht, physicien à Caltech, étudie et photographie la formation des flocons de neige depuis plus de deux décennies. Et comme Nakaya, il crée également ses propres flocons de neige en laboratoire, en utilisant soigneusement un petit pinceau pour transférer les structures délicates sur une lame de verre, en prenant des photos avec un appareil photo numérique monté sur un microscope haute résolution. Il a documenté les nombreux types de cristaux de neige au cours de toutes ces années, aboutissant à une monographie de 540 pages qui a été qualifiée de tour de force de la physique des flocons de neige.

Plus récemment, en 2019, Libbrecht a développé ce qu’il a appelé un modèle « semi-empirique » des processus atomiques à l’œuvre pour expliquer pourquoi il existe deux principaux types de flocons de neige : l’étoile plate emblématique, avec six ou 12 pointes, et une colonne. , parfois pris en sandwich par des capuchons plats et ressemblant parfois à un boulon de quincaillerie. Libbrecht voulait explorer précisément ce qui change avec les changements de température. Son modèle intègre un phénomène appelé diffusion moléculaire basée sur l’énergie de surface. Par quanta :

Un cristal fin et plat (en forme de plaque ou d’étoile) se forme lorsque les bords s’enroulent plus rapidement que les deux faces du cristal. Le cristal en plein essor se répandra vers l’extérieur. Cependant, lorsque ses faces grandissent plus vite que ses bords, le cristal grandit, formant une aiguille, une colonne creuse ou une tige. Selon le modèle de Libbrecht, la vapeur d’eau se dépose d’abord sur les coins du cristal, puis se diffuse sur la surface soit vers le bord du cristal, soit vers ses faces, provoquant la croissance du cristal vers l’extérieur ou vers le haut, respectivement. Lequel de ces processus gagne lorsque divers effets de surface et instabilités interagissent dépend principalement de la température.

Avec ce dernier travail, Gaston et ses collègues ont étendu l’analogie des flocons de glace aux métaux. Ils ont dissous des échantillons de nickel, de cuivre, de zinc, d’étain, de platine, de bismuth, d’argent et d’aluminium dans du gallium, qui devient liquide juste au-dessus de la température ambiante, ce qui en fait un excellent solvant liquide pour les expériences. Une fois le tout refroidi, les cristaux métalliques se forment mais le gallium reste liquide. Ils ont pu extraire les cristaux métalliques en réduisant la tension superficielle du solvant de gallium – grâce à une combinaison de modulation électrocapillaire et de filtration sous vide – et ont soigneusement documenté les différentes morphologies de chacun.

Ensuite, ils ont effectué des simulations de la dynamique moléculaire pour déterminer pourquoi différents métaux produisaient des cristaux de formes différentes : cubes, bâtonnets, plaques hexagonales et, dans le cas du zinc, une structure en flocon de neige. Ils ont découvert que tout se résumait aux interactions entre la structure atomique des métaux et le gallium liquide. « Ce que nous apprenons, c’est que la structure du gallium liquide est très importante », a déclaré Gaston. « C’est nouveau parce que nous pensons généralement que les liquides manquent de structure ou ne sont structurés que de manière aléatoire. »

DOI : Science, 2022. 10.1126/science.abm2731 (À propos des DOI).

Image de l’annonce par Waipapa Taumata Rau/Université d’Auckland