Émergence de la chiralité et de la complexité structurale des monocristaux aux niveaux moléculaire et morphologique


Émergence de la chiralité et de la complexité structurale des monocristaux aux niveaux moléculaire et morphologique

Images de microscopie électronique à balayage (SEM) des monocristaux de type yo-yo ayant une apparence multidomaine. Chaque côté du yo-yo ressemble à une fleur de marguerite. Crédit: Weizmann Institute of Science

Imaginez que vous essayez de construire un édifice de type Colisée – comprenant des arcs, des voûtes et diverses saillies – tout en respectant deux règles strictes: un seul type de brique peut être utilisé, et ces briques doivent être placées avec précision, l’une contre l’autre, dans un arrangement symétrique. Pas même un petit décalage n’est autorisé. Au mieux, vous seriez en mesure d’ériger une tour de grande hauteur chambrée. La nature a des lois similaires pour la construction de monocristaux.

Les règles pour la formation de cristaux moléculaires uniques sont si strictes – elles doivent être des structures à arêtes vives et continues à un seul compartiment – qu’il est inconcevable d’imaginer que ces principes soient brisés. Jusqu’à présent, c’est. Les chercheurs de l’Institut Weizmann des sciences ont réussi à créer des structures qui sont un paradoxe complet: des cristaux uniques et continus qui ont de multiples domaines, une forme asymétrique et des lignes courbes; ils sont aussi complexes que l’on pourrait attendre d’une structure “monumentale”. Cette classe unique de matériaux organiques a récemment été signalée dans Communications Nature.Parce que la structure cristalline joue un rôle essentiel dans la détermination des propriétés d’un matériau, les scientifiques de Weizmann prévoient d’étudier plus avant ces nouvelles structures et d’appliquer leur approche d’assemblage spéciale à différents types de “briques moléculaires” qui peuvent aider à créer des matériaux cristallins très polyvalents. .

Faisons le tour

Il existe de nombreux problèmes ouverts dans l’ingénierie des cristaux, bien que certains remontent aux travaux de Louis Pasteur au 19e siècle – par exemple, comment contrôler la croissance des cristaux afin qu’ils aient une taille et une forme uniformes, ou comment contrôler la chiralité . Les molécules chirales sont identiques dans leur composition mais se présentent sous deux formes d’image miroir qui, comme les mains, apparaissent en versions “gauche” ou “droite” qui ne peuvent pas être superposées. Les formations de cristaux chiraux peuvent être hélicoïdales – en spirale dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, en fonction de la «neutralité» des molécules.

Les scientifiques de l’Institut Weizmann, dirigés par la docteure Maria Chiara di Gregorio, étudiante postdoctorale italienne, le Dr Michal Lahav, scientifique principal, et le professeur Milko van der Boom, tous du département de chimie organique, ont abordé ces questions. Au fil des ans, ils ont perfectionné leur méthode de création de monocristaux d’apparence très complexe, et ils ont maintenant ajouté une touche, littéralement. Les structures cristallines qu’ils ont créées sont en forme de yo-yo, avec les deux moitiés en spirale dans des directions opposées; au-dessus de cette structure, l’apparence des deux disques eux-mêmes est semblable à une fleur, avec de nombreux “pétales” chiraux poussant autour d’un “stigmate” au centre. «C’est surprenant, car les« éléments constitutifs »sont tous des molécules symétriques, non chirales», explique di Gregorio. “L’apparence de pétale suggère que ces structures” devraient être “polycristallines – c’est-à-dire possédant plusieurs” chambres “- plutôt que des monocristaux.”

Pour comprendre comment cette structure pétale et chirale est issue de molécules non chirales, les scientifiques ont utilisé plusieurs techniques pour examiner les cristaux à trois niveaux différents: le niveau morphologique (forme 3D), le niveau moléculaire, puis à un niveau quelque part dans entre — la distribution de densité électronique.

En utilisant la microscopie électronique à balayage, ils ont pu interpréter quatre stades de croissance cristalline qui pouvaient être définis au niveau morphologique. La “cuisson” de molécules organiques avec des atomes de métal en solution à la bonne température donne des structures cylindriques non chirales sans forme. Ce sont les “boutons floraux” qui, dans les étapes suivantes, se transforment en objets chiraux. D’abord, ils se développent en deux structures hexagonales torsadées, puis les pétales commencent à se développer et à s’organiser asymétriquement sur la surface supérieure des deux hexagones à la manière d’une hélice, dans le sens horaire ou antihoraire. Au stade final, les cristaux se développent dans la structure yo-yo bien définie, avec ses multiples domaines lui donnant un aspect de fleur.

En étudiant plus en détail la structure à l’aide de la tomodensitométrie (micro-CT) – une méthode non conventionnelle dans l’analyse 3-D des cristaux métalliques-organiques – les scientifiques ont révélé des détails cachés du niveau de distribution de densité électronique “intermédiaire”. En effet, les mesures révèlent un motif continu en spirale unique couvrant toute la structure de base en base, suggérant que malgré la forme complexe, il s’agit d’un seul cristal chiral.

Au niveau moléculaire, les rayons X appliqués par Dr.Linda Shimon du Département de soutien à la recherche chimique, ont montré clairement la structure cristalline et ont fourni des preuves concluantes de la composition monocristalline du yo-yos complexe. Les modèles de rayons X ont également révélé des «escaliers en colimaçon» – des canaux chiraux poreux qui s’étendent sur toute la structure de haut en bas.

Ces cristaux torsadés étaient si contraires à la nature que les chercheurs ont confirmé la structure indépendamment par un cristallographe de New York.

Utilisation des nouveaux cristaux

“Ces résultats sont passionnants à un niveau fondamental, car nous avons réussi à créer une classe de matériaux complètement unique”, explique van der Boom. Les résultats pourraient trouver des applications, ajoute-t-il, dans la conception de nouveaux matériaux poreux, par exemple pour le stockage de carburants respectueux de l’environnement tels que l’hydrogène, ou pour capturer le dioxyde de carbone de l’atmosphère. Et ils pourraient également être utilisés pour améliorer la catalyse dans divers processus chimiques.


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