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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

Contrôler la croissance des cristaux de glace pour de nouveaux antigels synthétiques

De la préparation des crèmes glacées et à la cryopréservation des cellules et tissus biologiques, la croissance de la glace joue un rôle fondamental dans de nombreux procédés naturels et technologiques. Pour certains organismes, contrôler la croissance des cristaux de glace est une question de survie.En effet, dans les régions où la température conduit normalement à la formation de glace dont la croissance est destructrice pour les cellules de l'organisme, certaines sont parvenues à développer une résistance remarquable aux basses températures. Des chercheurs du Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques (CNRS / Saint-Gobain) viennent d’expliquer comment l'acétate de zirconium, composé utilisé d'ordinaire pour stabiliser des particules en suspension, exerçait un contrôle de la croissance des cristaux de glace, ouvrant la voie au développement d’équivalents synthétiques aux protéines antigel à moindre coût. Ces travaux ont fait la couverture de la revue Langmuir du 23 octobre 2012.

 

L’infinie variété des flocons de neige fascine depuis longtemps poètes et scientifiques. "Les fleurs des plantes et des arbres présentent généralement cinq pointes, mais celles de la neige, en présentent toujours six", écrivait en 135 av. JC le philosophe Han Ying(*). Comprendre et maitriser la croissance des cristaux de glace s'avère toutefois une problématique bien plus compliquée que ne pourrait le laisser supposer l'apparente familiarité de ce matériau si commun, et encore si mystérieux sur bien des aspects. De la préparation des crème glacées et à la cryopréservation des cellules et tissus biologiques, la croissance de la glace joue un rôle fondamental dans de nombreux procédés naturels et technologiques.
Maitriser précisément les cinétiques et morphologies de croissance des cristaux de glace est un enjeu majeur et partiellement irrésolu dans de nombreux domaines. Cette maîtrise nécessite une interaction directe avec la surface des cristaux en croissance. Les différences structurales et physicochimiques existant entre la surface de la glace et les molécules d'eau environnantes sont extrêmement ténues. Une interaction extrêmement sélective est donc nécessaire pour parvenir à un tel contrôle. Une fois encore, la solution à ce problème pourrait bien se trouver dans la nature.

Pour certains organismes, contrôler la croissance des cristaux de glace est une question de survie. Dans les régions où la température conduit normalement à la formation de glace, dont la croissance est destructrice pour les cellules de l'organisme, de nombreux organismes ont développé une résistance remarquable aux basses températures. Cette résistance découle souvent de la présence de protéines antigel, capables d'interagir directement et de manière extrêmement spécifique avec la glace. Les mécanismes d'interaction, encore partiellement incompris, résultent des structures complexes adoptées par ces protéines et de mécanismes basés sur des liaisons de Van der Waals(**), pourtant extrêmement peu spécifiques car non directionnelles. De telles protéines sont prises comme source d'inspiration pour le développement de composés antigel synthétiques, utilisables industriellement et à moindre coût.

L'équipe menée par Sylvain Deville a montré que l'acétate de zirconium, composé utilisé d'ordinaire pour stabiliser des particules en suspension, exerçait un contrôle de la croissance des cristaux de glace (http://www2.cnrs.fr/presse/communique/2326.htm), résultat surprenant au vue de la nature simple du composé, loin de la complexité des protéines antigel identifiées précédemment.

L'équipe cavaillonnaise vient de proposer un mécanisme pour expliquer l'interaction entre ce composé simple et la surface des cristaux de glace, conduisant à une croissance facettée. Le mécanisme proposé est basé sur la mise en place de liaisons hydrogènes(***) entre le composé et la surface de la glace, selon une périodicité correspondant à celle du réseau cristallin de la glace. Un mécanisme étonnamment similaire à celui adopté par les protéines antigel, mais basé sur des liaisons hydrogènes, directionnelles et donc plus spécifiques que des liaisons de Van der Waals. Ce mécanisme nécessite un accord parfait entre la structure de la glace et celle du composé, rendant le composé unique, jusqu'à présent.

Ces résultats ouvrent donc la voie au développement de nouveaux composés antigel synthétiques et peut-être, un jour, à la fabrication des flocons de neige ayant tous la même forme ... au grand dam des poètes. 

 

(*) Extrait de l'excellent "H2O, a biography of water", de Philip Ball

(**) La  liaison de van der Waals est une interaction électrique de faible intensité entre atomes, molécules, ou entre une molécule et un cristal.

(***)La liaison hydrogène est une liaison chimique non covalente. Elle est de basse intensité (vingt fois plus faible qu'une liaison covalente classique), et relie des molécules en impliquant un atome d'hydrogène.

 

Deville

Représentation schématique de l'interaction entre l'acétate de zirconium et la surface de la glace en croissance (a). L'adsorption en surface par les liaisons hydrogènes freine l'incorporation de nouvelles molécules d'eau en surface du cristal, et conduit éventuellement à une croissance facettée. Si l'adsorption n'est que partielle, les cristaux croissent selon un spirale (b).

© S. Deville

 

 

Référence

Deville S, Viazzi C, Guizard C

Ice-structuring mechanism for zirconium acetate

Langmuir 23 octobre 2012, 28,14892–8.

Couverture: http://pubs.acs.org/toc/langd5/28/42


Contact chercheur

Sylvain Deville, Laboratoire de Synthèse et Fonctionnalisation des Céramiques - Cavaillon

Courriel: sylvain.deville@saint-gobain.com

Tél. : 04 32 50 06 59

 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

26 novembre 2012

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