Jardins chimiques: des chercheurs de l'Université libre de Bruxelles et de l'Université de Grenade obtiennent de manière reproductible et contrôlée une grande variété de motifs tels que des fleurs, des filaments ou des spirales...
Les jardins chimiques, formés par auto-assemblage de précipités minéraux générés lors de certaines réactions chimiques, produisent des formes colorées rappelant des structures végétales.
Outre leur popularité pour des expériences de chimie amusante à montrer au grand public, ils 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 (Fig.1). On observe alors des structures tubulaires irrégulières et multicolores croissant 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.
Des chercheurs de l'Université libre de Bruxelles, ULB – Unité de chimie physique non linéaire, Faculté des Sciences – 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 milieu 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 ce mois de novembre, 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 (Fig.2), ouvrant la voie à une meilleure compréhension des mécanismes gouvernant leur formation.
Les auteurs ont 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 de propriétés physico-chimiques de matériaux solides auto-assemblés.
Pour plus d'information voir:
Spiral precipitation patterns in confined chemical gardens PNAS 2014