Le destin d’un cristal est défini avant sa naissance

De nouvelles expériences de diffusion des rayons X in situ révèlent comment les additifs agissent dès l’étape de prénucléation. Ces travaux, menés sur la ligne ID15A avec des échantillons particulièrement complexes, ouvrent la voie à des matériaux plus efficaces et plus respectueux de l’environnement. Les résultats sont publiés dans Nature Communications.

Les additifs sont de petites quantités de molécules ajoutées à un matériau lors de la formation des cristaux. Ils peuvent ralentir ou accélérer la cristallisation, modifier la taille ou la forme des cristaux, ou encore orienter le processus dans une direction différente. Ils agissent notamment en se fixant aux surfaces cristallines en croissance ou en influençant l’apparition des tout premiers germes cristallins.

Bien que largement utilisés en médecine et en science des matériaux, le rôle précis des additifs dans le contrôle de la cristallisation reste encore mal compris. Jusqu’à présent, la plupart des études se sont concentrées sur une seule étape de leur action, rendant difficile une compréhension globale de la cristallisation non classique.

“Si nous comprenions mieux comment les additifs influencent les différentes étapes de la nucléation minérale, nous pourrions les adapter pour rendre des matériaux comme le ciment plus efficaces et plus respectueux de l’environnement », explique Alexander Van Driessche, chercheur au CSIC (Espagne).

Alexander Van Driessche et des scientifiques de l’ESRF, d’ISTerre (Université Grenoble Alpes), de BASF et de l’Université du Pays basque ont ainsi étudié la nucléation de la portlandite et du gypse, deux matériaux utilisés dans le ciment, grâce à une approche in situ multi-technique.

“Nous avons suivi l’ensemble du processus de nucléation en combinant la diffusion des rayons X à haute énergie sur ID15A, des sondes potentiométriques et une routine de co-titration, ce qui nous a permis d’observer l’effet des additifs depuis les clusters de prénucléation jusqu’aux intermédiaires amorphes », explique Annet Baken, première auteure de l’étude.

Les expériences réalisées sur la ligne ID15A se sont révélées particulièrement complexes en raison de la forte dilution des échantillons.

“Cela nous a conduits à développer une nouvelle méthode de correction des images de diffusion afin d’extraire des signaux très faibles masqués par les charges accumulées dans le détecteur. Cette méthode fera prochainement l’objet d’une publication », précise Alejandro Fernandez-Martínez (ISTerre), scientifique invité à l’ESRF.

Les résultats montrent que la portlandite évolue progressivement d’un état désordonné vers un état ordonné, tandis que le gypse présente une transition plus brutale. Les additifs agissent principalement dès l’étape de prénucléation et influencent simultanément plusieurs phases du processus, en retardant ou en accélérant certaines d’entre elles.

“En observant chaque étape de la formation cristalline en temps réel, nous pouvons commencer à concevoir des additifs qui guident le processus plutôt que d’y réagir. C’est une avancée vers une cristallisation industrielle plus intelligente et, espérons-le, plus durable », conclut Alexander Van Driessche.

Référence :

Baken, A., Fernandez-Martinez, A., Lanson, M. et al. Additive-specific modulation of non-classical nucleation pathways. Nat Commun (2026). DOI : 10.1038/s41467-026-68583-1

Cette actualité a été initialement publiée par ESRF.