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En direct des laboratoires de l'institut de Chimie

 

La soudure cristalline, une première mondiale !

Par la méthode dite de « tectonique moléculaire », les chercheurs du Laboratoire de chimie de la matière complexe (CNRS / Université de Strasbourg) sont parvenus à réaliser une véritable soudure de cristaux. Comment ? En considérant qu’un cristal est le fruit de l’auto-assemblage de briques moléculaires de base et qu’en maitrisant la conception de ces briques, il est possible de prévoir et contrôler leur assemblage moléculaire. Ils ont ainsi réalisé la soudure de deux cristaux, formant un monocristal multidomaine et ont également fabriqué des cristaux de type cœur-coquille. Ces résultats, qui font l’objet d’un article dans Journal of American Chemical Society, offrent un nouvel outil dans la conception de matériaux intelligents.

 

Alors qu'au niveau microscopique l'organisation des atomes en molécules par synthèse chimique est de mieux en mieux maitrisée, le passage au monde macroscopique cristallin avec un contrôle précis de l'organisation spatiale des molécules reste aujourd'hui un défi car elle nécessite un nombre très important d'opérations d'assemblage. Ce passage micro/macro peut être réalisé par la tectonique moléculaire, une approche fondée sur l'autoassemblage moléculaire mettant en place des processus itératifs de reconnaissance moléculaire entre briques de construction (tectons) programmées conduisant à la création de réseaux moléculaires, architectures ordonnées et périodiques. Pour cette stratégie, relevant de la synthèse supramoléculaire, les liens entre les molécules se font par interactions intermoléculaires réversibles comme la liaison hydrogène par exemple. Le contrôle strict de l'ordre et de la périodicité aux niveaux microscopiques et macroscopiques sont incontournables pour le développement de nouveaux matériaux et dispositifs dits "intelligents".

Les chercheurs strasbourgeois ont développé une stratégie fondée sur la croissance épitaxiale en trois dimensions pour souder en solution, dans des conditions douces (25 °C), des cristaux moléculaires en réseaux de cristaux. Ils ont tout d’abord synthétisé des cristaux isostructuraux (même groupe d'espace et système cristallin) et quasi isométriques (paramètres de maille proches) de différentes couleurs (Fig. 1), en assemblant des tectons cationiques donneurs de liaisons hydrogène et de metallatectons anioniques (complexes de métaux de transition) accepteurs de liaisons hydrogène (Fig. 1). Ils ont ensuite utilisé ces cristaux isostructuraux non seulement pour confectionner des cristaux de type cœur-coquille (Fig. 1b et Fig. 2a), mais également pour les souder en monocristaux multidomaines par croissance épitaxiale en solution (Fig. 2b et Fig. 3).

Souder des cristaux en réseaux macroscopiques par des processus d'auto-assemblage est une stratégie nouvelle pour la conception et la fabrication de matériaux organisés de façon hiérarchique en sous-domaines ordonnés présentant différentes propriétés ciblées (Fig. 3). La soudure cristalline peut-être vue comme une première étape vers la conception de systèmes moléculaires complexes organisés de façon hiérarchique.

Ces travaux ont été soutenus par le Labex "Chimie des systèmes complexes", le Centre international de recherche aux frontières de la chimie et le CNRS.

 

hosseini

Figure 1 : tectons di-cationiques et tétra-anioniques utilisés pour la création des réseaux moléculaires

(a) photos des cristaux de différentes couleurs résultant de la nature du métal et (b) les cristaux cœur-coquille obtenus par croissance épitaxiale 3D en solution et à 25 °C.

© M. W. Hosseini

 

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Figure 2 : représentation schématique de la formation de cristaux de type coeur-coquille (a) et soudure de nature homo et hétéro de cristaux (b) en entités monocristallines par croissance épitaxiale 3D en solution et en conditions douces (25 °C).

© M. W. Hosseini

 

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Figure 3 : les cristaux (a, d, g) ont tout d'abord été coupés,

puis placés et orientés (b, e, h),

et enfin soudés (homo- (c) et hétéro- (f, i) en monocristaux par croissance épitaxiale en solution dans des conditions douces (25 °C).

© M. W. Hosseini

Références

Cyril R. R. Adolf, Sylvie Ferlay, Nathalie Kyritsakas & Mir Wais Hosseini

Welding Molecular Crystals

JACS. 2015, 137, 15390−15393.
DOI: 10.1021/jacs.5b10586

 

Contacts chercheurs

Mir Wais Hosseini,  Laboratoire de chimie de la matière complexe – Strasbourg

Courriel : hosseini@unistra.fr

T 03 68 85 13 23

 

Sylvie Ferlay, Laboratoire de chimie de la matière complexe – Strasbourg

Courriel : ferlay@unistra.fr

T 03 68 85 13 26


 

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken

 

25 février 2016

 

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