Visualisation directe de la nucléation dans des systèmes modèles colloïdaux

Comprendre la nucléation des cristaux est d’une importance profonde tant pour des raisons fondamentales que technologiques. Dans le matériau le plus simple connu pour s’auto-assembler afin de former un cristal, les sphères dures, les prédictions les plus avancées et les mesures expérimentales des taux de nucléation diffèrent de plus de dix ordres de grandeur. En plus de remettre en question notre compréhension de la cristallisation, cela complique les tentatives d’utiliser l’auto-assemblage pour réaliser de nouveaux matériaux. Nous proposons ici une approche combinant expérience et simulation informatique pour relever les défis liés à la nucléation et à la réalisation de structures cristallines dans les colloïdes.Nous abordons la divergence de nucléation grâce à deux développements, basés sur des études en espace réel de colloïdes par microscopie confocale.Premièrement, nous considérons la barrière de nucléation en mesurant l’énergie libre de formation des noyaux pré-critiques, dont la fréquence d’apparition est suffisamment élevée pour être accessible expérimentalement grâce à la microscopie confocale.Deuxièmement, nous visons à cartographier les points d’état entre expérience et simulation avec une précision jusqu’ici inégalée. Pour ce faire, nous améliorons le suivi des particules avec des méthodes récemment développées intégrant l’apprentissage automatique et utilisons des fonctions de corrélation d’ordre supérieur, plus sensibles à la fraction volumique que les fonctions de corrélation par paires. Avec notre méthode, les barrières de nucléation présentent un accord raisonnable, ce qui conduit à la disparition de la divergence.De plus, à partir des données de microscopie confocale de prélèvements en sédimentation, nous avons constaté que les échelles de temps concurrentes de la sédimentation et de la cristallisation dans les expériences basées sur la méthode de Paulin-Ackerson, couramment utilisée pour déterminer le point d’état dans les expériences de diffusion de la lumière, pourraient conduire à une surestimation systématique de la fraction volumique et donc à l’apparition de la divergence.Enfin, nous étudions la nucléation cristalline dans un autre système modèle, les colloïdes dipolaires, dans lesquels les interactions dipolaires sont induites par un champ électrique externe. Le champ électrique peut être utilisé pour ajuster facilement l’intensité de l’interaction dipolaire, permettant l’étude de la sélection polymorphe et de la règle des étapes d’Ostwald. Ce qui est particulièrement intéressant ici est la formation d’un cristal métastable hexagonal compact (HCP). Celui-ci fond ensuite, après quoi un cristal BCT (la phase stable) se forme. Les mécanismes sous-jacents et la connexion avec la structure du fluide sont en cours d’investigation.De plus, les possibilités d’optimisation de la nucléation cristalline dans les systèmes dipolaires sont analysées en appliquant différents protocoles pour l’intensité de l’interaction dipolaire. Nous constatons que certains protocoles favorisent un assemblage plus rapide de domaines cristallins plus larges.