Prévoir rapidement la morphologie d'un cristal

Les cristaux sont essentiels dans des secteurs comme les produits pharmaceutiques, l'électronique, le photovoltaïque et la catalyse. Des scientifiques ont mis au point un modèle capable de prévoir rapidement la morphologie d'un cristal, ce qui permet d'optimiser sa conception et de contrôler sa fabrication.

Technologies industrielles

En effet, le contrôle de la morphologie d'un cristal est essentiel pour sa fonction. L'apparition de morphologies indésirables peut réduire la qualité du produit et modifier son comportement, causant par exemple des bouchons dans les filtres et les tubes. La progression des connaissances en matière de mécanique quantique ouvre de nombreuses possibilités en associant les théories classiques de croissance des cristaux avec des simulations de mécanique quantique moderne. Le projet CRYSURFSIM («Crystal surface simulations»), financé par l'UE, a été lancé pour concevoir un modèle unifié à destination de l'ingénierie moderne en matière de morphologie de cristaux. Les cristaux peuvent adopter des formes étonnamment variées, même à partir d'un seul composé, suite à des différences dans les conditions de leur croissance. L'énergie libre de surface est un facteur important. L'énergie libre de surface (la tension superficielle pour les liquides) est la différence entre l'énergie des atomes à la surface et ceux à l'intérieur du cristal. Le modèle de déficit de liaison de valence peut servir à prévoir l'énergie libre de surface et la morphologie du cristal. Le projet CRYSURFSIM a exploité le modèle de déficit de liaison de valence pour faire le pont entre la description classique de la croissance des cristaux et celle par la mécanique quantique. Les scientifiques ont ainsi pu décrire l'énergie libre de surface pour des structures courantes de cristaux de métaux. Les résultats sont en accord avec les simulations de réseaux par mécanique quantique, et les structures cristallines prévues ressemblaient à des structures naturelles. Par rapport aux simulations de réseau cristallin, la rapidité est le principal avantage du modèle de déficit de liaison de valence. L'application à des minéraux (avec des types de structure AX et AX2) a été plus difficile. Le modèle de déficit de liaison de valence gère les surfaces électriquement neutres ou chargées, alors que les simulations de réseaux exigent une «correction» pour passer d'une surface chargée à neutre, ce qui rend difficile la comparaison des résultats. Cependant, pour les halogénures, sulfures et oxydes, le modèle de déficit de liaison de valence a de nouveau constaté un net accord avec les simulations de cristaux et les morphologies vues dans la nature. Le modèle de déficit de liaison de valence s'est avéré rapide pour prévoir la morphologie d'un cristal avec exactitude et un minimum de calculs, reliant ainsi efficacement les modèles de la cristallisation au niveau macroscopique et par mécanique quantique. Il facilitera la conception rapide de nouvelles morphologies dotées de fonctions spécifiques, pour des secteurs comme la médecine, la pharmacie, les semi-conducteurs en couche mince et le photovoltaïque. Ceci aura un impact important sur la compétitivité économique de l'UE.