Visualisation directe de la nucléation: des fondamentaux aux nouveaux matériaux – DiViNew

Comprendre la nucléation des cristaux est d'une importance majeure pour des raisons tant fondamentales que technologiques. Les sphères dures, le plus simple des matériaux connus pour former des cristaux, présentent un écart sur les taux de nucléation de plus de dix ordres de grandeur entre les meilleures prédictions théoriques et les résultats expérimentaux. Ceci non seulement remet en cause notre compréhension profonde de la cristallisation, mais de manière plus générale, nous empêche de voir comment auto-assembler des nanoparticules pour former de nouveaux matériaux aux propriétés exotiques.

Au delà des sphères dures, les études théoriques sur les sphères dites “molles” - les microgels colloïdaux – ont montré l’existence d’une très large variété de structures cristalline. Et les suspensions colloïdales bidisperses possédant deux espèces différentes de particules offrent une possibilité encore plus large.

Nous proposons de combiner une approche à la fois numérique et expérimentale pour résoudre le problème de la nucléation, et le contrôle des structures cristallines dans les suspensions colloïdales. Notre stratégie repose sur trois axes:

1) Une nouvelle technique expérimentale développée par notre équipe – la nano-analyse en espace réel – va permettre de résoudre le problème de l’écart du taux de nucléation, et va servir de base à la partie expérimentale du projet. Jusqu’à présent, l’analyse en espace réel des suspensions colloïdales par microscopie confocale nécessitait des particules de taille entre 2 et 3 microns. Les “nanoscopes” par émission stimulée via déplétion (STED) permet de descendre en échelle et imager des particules beaucoup plus petites. Ceci est d’une particulière importance car les particules de petites tailles diffusent plus vite, ce qui va permettre de sonder des évènements rares comme la nucléation dans les conditions expérimentales qui ont montré les écarts les plus importants avec les prédictions théoriques.

2) Nous proposons une nouvelle méthode rétroactive dans laquelle la nano-analyse en espace réel présentée précédemment sera combinée avec des études numériques. De manière plus spécifique, l’originalité de notre méthode repose sur l’analyse des structures d’ordre élevé – les motifs géométriques comme la structure icosaédrique. La mesure de leurs concentrations dans les simulations et leurs comparaisons avec les expériences va permettre une correspondance bien meilleure que ce qui a été fait entre les modèles numériques et les expériences. Cette méthode permettra de guider l’assemblage des colloïdes vers une variété de nouvelles structures cristallines, ce qui par exemple pourra se rendre utile pour la conception de nouveaux matériaux photoniques.

3) L’utilisation des sphères dites molles est prédite pour augmenter considérablement les possibilités en terme de structures cristallines accessibles. Cependant, ceci reste à réaliser, et dans le cas des microgels colloïdaux, les interactions en milieu dense sont encore peu connues. Nous proposons d’y apporter la lumière en développant un système de microgels fabriqué à partir de particules qui a l’avantage de pouvoir être suspendu dans un solvant de même indice optique. Ceci permettra une bien meilleure qualité d’image et donc une compréhension détaillée de leurs interactions.

Ainsi, notre objectif est de:
1) Implémenter la nano-analyse en espace réel pour étudier la nucléation dans le régime de grande divergence entre simulations et expériences
2) Concevoir un système colloïdal modèle de microgels aux propriétés contrôlables, conçu dans une architecture de type noyau-enveloppe
3) Façonner des modèles numériques pour prédire les structures d’ordre élevé dans les expériences, et développer une méthode rétroactive pour optimiser les interactions permettant la cristallisation des microgels vers une structure cible
4) Appliquer les connaissances et méthodes acquises pour sonder la possibilité de contrôler la cristallisation dans les systèmes binaires