Un processus appelé nucléation joue un rôle essentiel dans de nombreux phénomènes physiques et biologiques allant de la cristallisation, la fusion et l’évaporation à la formation de nuages et au déclenchement de maladies neurodégénératives. Cependant, la nucléation est un processus difficile à étudier expérimentalement, surtout dans ses premiers stades, lorsque plusieurs atomes ou molécules commencent à former une nouvelle phase à partir d’une phase mère. Une équipe de physiciens dirigée par l’Université de Californie à Los Angeles a utilisé une méthode appelée tomographie électronique atomique pour étudier la nucléation précoce en quatre dimensions (c’est-à-dire en trois dimensions d’espace et de temps) à une résolution atomique.
Cette image montre que le mouvement atomique 4D est capturé dans une nanoparticule de fer-platine à trois temps de recuit différents. Crédit photo : Alexander Tokarev.
“Il s’agit véritablement d’une expérience révolutionnaire : non seulement nous localisons et identifions des atomes individuels avec une grande précision, mais nous suivons également leur mouvement en 4D pour la première fois”, a déclaré le professeur Jianwei ‘John’ Miao de l’Université de Californie à Los Angeles.
Le professeur Miao et ses collègues ont examiné un alliage fer-platine formé de nanoparticules si petites qu’il en faut plus de 10 000 disposées côte à côte pour couvrir la largeur d’un cheveu humain.
Pour étudier la nucléation, ils ont chauffé les nanoparticules à 968 degrés Fahrenheit (520 degrés Celsius) et ont pris des images après 9, 16 et 26 minutes.
À cette température, l’alliage subit une transition entre deux phases solides différentes.
Bien que l’alliage semble identique à l’œil nu dans les deux phases, un examen plus approfondi montre que les arrangements atomiques 3D sont différents l’un de l’autre.
Après chauffage, la structure passe d’un état chimique désordonné à un état plus ordonné, avec des couches alternées d’atomes de fer et de platine.
L’équipe a suivi les mêmes 33 noyaux – certains aussi petits que 13 atomes – dans une nanoparticule.
Les résultats ont été surprenants, car ils contredisent la théorie classique de la nucléation. Selon cette théorie, les noyaux sont parfaitement ronds. Dans l’étude, au contraire, les noyaux avaient des formes irrégulières.
La théorie suggère également que les noyaux ont une frontière nette. Au lieu de cela, les physiciens ont observé que chaque noyau contenait un noyau d’atomes qui avait changé pour la nouvelle phase ordonnée, mais que l’arrangement devenait de plus en plus désordonné à proximité de la surface du noyau.
La théorie classique de la nucléation stipule également qu’une fois qu’un noyau atteint une taille spécifique, il ne fait que s’agrandir à partir de là. Mais le processus semble être bien plus compliqué que cela. En plus de croître, les noyaux étudiés ont rétréci, se sont divisés et ont fusionné ; certains se sont complètement dissous.
“La nucléation est essentiellement un problème non résolu dans de nombreux domaines. Une fois que vous pouvez imager quelque chose, vous pouvez commencer à penser à la façon de le contrôler”, a déclaré le Dr Peter Ercius, un scientifique du Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley.
Les résultats, publiés dans le journal Natureoffrent une preuve directe que la théorie classique de la nucléation ne décrit pas précisément les phénomènes au niveau atomique.
Les découvertes sur la nucléation peuvent influencer la recherche dans un grand nombre de domaines, notamment la physique, la chimie, la science des matériaux, la science environnementale et les neurosciences.
