Il s'agit de formations qui ressemblent à des structures végétales, et qui se produisent en ajoutant certains sels à l'état solide (sulfate de cuivre, chlorure de cobalt) à une dissolution aqueuse de silicate sodique.
Ont participé à ce travail, publié dans la revue
PNAS, des scientifiques de l'Université Libre de Bruxelles et de l'Institut Andalou des Sciences de la Terre de l'Université de Grenade.
Une recherche, à laquelle a participé l'Institut Andalou des Sciences de la Terre de l'Université de Grenade, a révélé de nouvelles données sur les jardins chimiques, de mystérieuses formations qui ressemblent à des structures végétales et se produisent en ajoutant certains sels à l'état solide (sulfate de cuivre, chlorure de cobalt) à une dissolution aqueuse de silicate sodique.
Les jardins chimiques confinés se forment par auto-assemblage de précipités minéraux générés lors de certaines réactions chimiques, et produisent des formes colorées qui ressemblent à des structures végétales. Le premier chercheur à les observer fut Johann Rudolf Glauber en 1646, et depuis lors leur formation s'est avéré un vrai mystère pour la communauté scientifique.
Outre leur popularité pour des expérimentations de chimie destinées au grand public, les jardins chimiques confinés présentent des analogies avec divers systèmes naturels comme par exemple des chenaux de glace formés sous la banquise ou les cheminées hydrothermales situées au fond des océans où l'on pense que la vie sur terre pourrait avoir trouvé son origine.
Leurs processus de croissance sont aujourd'hui étudiés de manière fondamentale pour, par exemple, fabriquer de nouveaux matériaux auto-organisés ou comprendre leur rôle dans l'émergence de la vie grâce à l'énergie qui peut y être stockée.
Pour produire un jardin chimique en laboratoire, on place typiquement un sel métallique dans une solution alcaline contenue dans un récipient. On observe alors des structures tubulaires irrégulières et multicolores qui croissent par l'action combinée de différents processus physiques (pression osmotique, effets de gravité, réactions et diffusion).
Le fait que ces différents processus interagissent de manière complexe et non contrôlée est responsable de l'irrégularité et du manque de reproductibilité des formes obtenues à trois dimensions. Ceci nuit à une compréhension détaillée des mécanismes de croissance de ces structures.
Un environnement confiné quasi bidimensionnel
Dans ce contexte, des chercheurs de l'Université libre de Bruxelles, ULB (Unité de chimie physique non linéaire) et de l'Université de Grenade (Institut Andalou des Sciences de la Terre) ont montré qu'une riche collection de structures reproductibles peut être obtenue en faisant croître les jardins chimiques dans un environnement confiné quasi bidimensionnel par injection d'un réactif dans l'autre entre deux plaques horizontales.
Le confinement horizontal du réacteur réduit les effets de gravité tandis que l'injection d'un réactif dans l'autre atténue les effets de pression osmotique. De plus, la maîtrise des concentrations initiales des réactifs et du débit d'injection permet d'étudier l'importance relative des processus chimiques et de transport dans la sélection de la forme du précipité.
Publiée dans la revue
PNAS, cette étude a permis d'obtenir de manière reproductible et contrôlée une grande variété de motifs tels que des fleurs, des filaments ou des spirales, ouvrant ainsi la voie à une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant leur formation.
Les auteurs ont ainsi exploité des méthodes standard d'analyse de motifs bidimensionnels pour élucider le mécanisme de croissance des spirales à l'aide d'un modèle géométrique élémentaire.
Ces résultats fournissent une nouvelle méthodologie d'analyse de croissance en situation de non équilibre, destinée à un meilleur contrôle des propriétés physico-chimiques de matériaux solides auto-assemblés.
L'Université de Grenade est pionnière dans la recherche de jardins chimiques confinés, ce que corrobore le fait que plusieurs chercheurs membres de l'Institut Andalou des Sciences de la Terre travaillent dessus.
Référence bibliographique: Physical Sciences - Applied Physical Sciences:Florence Haudin, Julyan H. E. Cartwright, Fabian Brau, and A. De WitSpiral precipitation patterns in confined chemical gardensPNAS 2014; published ahead of print November 10, 2014, doi:10.1073/pnas.140955211