Le paradoxe du silicium : des scientifiques de NUST MISIS trouvent un matériau qui rompt les lois de la chimie moderne

USA - Français

• USA - Deutsch
• USA - English

MOSCOU, November 19, 2018 /PRNewswire/ --

Une équipe internationale de physiciens et de spécialistes des matériaux de NUST MISIS, du Bayerisches Geoinstitut (Allemagne), de l'université de Linköping (Suède) et du California Institute of Technology (États-Unis) a découvert des modifications « impossibles » de la coésite-IV et de la coésite-V de la silice, des matériaux qui n'étaient pas censés exister. Leur structure révèle qu'ils échappent aux règles générales de formation des liaisons chimiques dans les matériaux inorganiques, qui ont été postulées par Linus Pauling et lui ont valu le prix Nobel de chimie en 1954. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Nature Communications le 15 novembre 2018.  

     (Photo: https://mma.prnewswire.com/media/786110/Figure_1_Infographic.jpg )

     (Photo: https://mma.prnewswire.com/media/786111/Igor_Abrikosov.jpg )

Selon les règles de Pauling, les fragments du réseau atomique dans les matériaux inorganiques sont reliés par des « sommets », parce que la liaison par les « côtés » est le moyen le plus énergivore pour former une liaison chimique, donc elle n'existe pas dans la nature. Les scientifiques ont toutefois prouvé, expérimentalement et théoriquement, en utilisant le supercalculateur de NUST MISIS, qu'il est possible d'établir de telles connexions en plaçant les matériaux dans des conditions d'ultra-haute pression. Les résultats obtenus ouvrent une voie complètement nouvelle dans le développement de la science moderne des matériaux, à condition qu'une classe fondamentalement nouvelle de matériaux n'existe que dans des conditions extrêmes.

« Dans notre travail, nous avons synthétisé et décrit les phases métastables de la silice, de la coésite-IV et de la coésite-V soumises à de hautes pressions : les structures de leurs cristaux sont radicalement différentes de celles des modèles décrits précédemment », a déclaré Igor Abrikosov, directeur de l'équipe de recherche théorique, professeur, responsable du laboratoire de NUST MISIS pour la modélisation et le développement de nouveaux matériaux. « Deux coésites nouvellement découvertes contiennent des octaèdres SiO6 qui, contrairement à la règle de Pauling, sont reliés par une face commune, ce qui représente la connexion chimique la plus énergivore. Nos résultats montrent que les magmas silicatés possibles dans le manteau terrestre inférieur peuvent avoir des structures complexes, ce qui rend ces magmas plus compressibles que prévu. »

L'équipe de recherche, dirigée par le professeur Igor Abrikosov (NUST MISIS, Russie, université de Linköping en Suède) se consacre à l'étude des matériaux mis sous ultra-haute pression. Mettre un matériau dans des conditions aussi extrêmes est l'un des moyens les plus prometteurs de créer de nouveaux matériaux de qualité qui ouvriraient de nouvelles possibilités fantastiques. Par exemple, dans l'un des articles récents, des scientifiques ont parlé de la création de nitrures qu'il n'avait pas été possible d'obtenir.

Les informations sur la structure et les propriétés mécaniques de l'oxyde de silicium sont primordiales pour comprendre les processus qui se déroulent dans le manteau de notre planète. En étudiant la structure du matériau, qui existe à des températures et des pressions extrêmement élevées dans les profondeurs de l'intérieur de la terre, les scientifiques ont découvert qu'une modification spéciale de l'oxyde de silicium - coésite polymorphe - subit un nombre de transition de phase quand elle est soumise à une pression de 30 gigapascals (GPa) et forme de nouvelles phases (« coésite-IV » et « coésite-V »), qui maintiennent les tétraèdres SiO4 comme principaux éléments structurels du réseau cristallin.

Dans les nouvelles expériences, les scientifiques sont allés plus loin en comprimant l'oxyde de silicium dans une enclume de diamant sous une pression de plus de 30 GPa et ont vu des changements structurels dans cette phase en utilisant la diffraction des rayons X monocristallins. Les résultats sont surprenants : ces changements structurels sont des exceptions aux règles de Pauling.

Les scientifiques ont découvert deux modifications absolument nouvelles de la coésite (coésite-IV et coésite-V) avec des structures (figure 1) qui sont exceptionnelles et « impossibles » du point de vue classique de la chimie des cristaux : elles ont du silicium penta-coordonné (lié cinq fois), des octaèdres adjacents SiO6, et consistent en un silicium coordonné quatre, cinq et six fois en même temps. Par ailleurs, plusieurs fragments du maillage atomique sont reliés par des faces et non par des sommets, ce qui est impossible selon les règles de Pauling.