[Flash Info Chimie] #32 une structure cristalline avec 36 sites distincts

Vous connaissez peut-être les zéolithes. Ce sont des matériaux de composition assez simple, des alumino-silicates, existant sous forme naturelle, mais aussi que l’on peut synthétiser à volonté, afin de moduler leurs propriétés.

Parlons-en, de leurs propriétés. En fait, les zéolithes sont remarquables par leur structure microscopique. Précisément, chaque atome d’aluminium ou de silicium est au centre d’un tétraèdre dont les sommets sont des atomes d’oxygène. Ces tétraèdres étant reliés entre eux par les sommets.

Quelques structures de zéolithes. On voit les tétraèdres former des structures régulières plus vastes. (Source : nature.com)

Les structures ainsi formées sont très variées et ont parfois exactement la « bonne » taille pour accueillir des petites molécules. Une application très classique des zéolithes consiste à les utiliser comme « tamis moléculaire ». On a facilement une image en tête… qui n’est pas forcément très éloignée de la réalité ! Le tamis moléculaire le plus utilisé est le tamis 3 ou 4 Å (Angström), ce qui signifie que la taille des pores dans le zéolithe est de 3 ou 4 dixième de milliardième de mètre ( 3 ou 4 x 10^-10 m !). Son intérêt ? Il s’agit de la taille des molécules d’eau, H2O : en fait, il retient particulièrement efficacement et sélectivement celles-ci, et on l’utilise pour supprimer les traces d’eau qui risqueraient de compromettre des réactions chimiques extrêmement sensibles à l’humidité. Il en existe d’autres, qui ont tous la capacité d’adsorber sélectivement les espèces chimiques en fonction de leur taille (voir la notice wikipédia).

Les zéolithes, par leurs topologies, vont pouvoir aussi catalyser certaines réactions (certaines espèces chimiques étant, par exemple, momentanément « piégées » dans les pores du matériau), servir de canaux moléculaires sélectifs, etc… Il serait inutile de tenter toute forme d’exhaustivité ici. Revenons plutôt à la publication dont il est question…

Une équipe de Corée (du Sud) a donc synthétisé un nouveau zéolithe, et a étudié sa structure… Qui correspond à la plus complexe des structures cristallographiques étudiées à ce jour !

Pour pouvoir décrire correctement un matériau, il faut déterminer le motif élémentaire qui va être répété dans les différentes directions de l’espace. prenons deux petits exemples, classiques, pour bien fixer les choses :

Le diamant est composé d’un assemblage d’atome de carbone. la « maille élémentaire » est constitué de 5 atomes : 1 carbone au centre d’un tétraèdre dont chaque sommet est occupé par un autre carbone :

Cela donne, si on se recule un peu, une structure très régulière :

Ici, il y a 4 mailles élémentaires représentées (plus quelques atomes pour finir le cube) (source : wikipédia)

Et voici le carbone graphite : cette fois, il s’agit d’une structure en feuillet, formée de la superposition de « nappes » d’atome de carbone disposés en hexagone :

Si on ne décrit qu’une « nappe », le motif élémentaire est constitué d’un hexagone dont chaque sommet est occupé par un atome de carbone (source : maieutapedia)

Un cristal est d’autant plus simple à décrire que sa maille élémentaire est constituée de peu d’atomes, puisque après, pour décrire l’entière structure, il suffit de répéter cette maille dans toutes les directions !

Dans l’article de Angewandte, le motif élémentaire du zéolithe est constitué de… 36 tétraèdres différents ! En voilà une représentation :

En bleu ou vert, les atomes de silice ou de phosphore, au centre des tétraèdres dont les sommets sont des oxygènes (source) L’image est volontairement laissée en grand format, pour que l’on puisse visualiser les différences entre le premier plan, et celui juste derrière. C’est une structure de type « canaux » (il existe aussi dans d’autres zéolithes des structures de type « cage »), d’où la superposition quasi parfaite d’un plan sur l’autre.

Vous me demanderez peut-être, à quoi cela peut bien servir… Pour l’instant (et pour un certain temps surement aussi) à rien. Mais « il n’y a pas de matériaux inutiles, seulement des matériaux dont on a pas ENCORE trouvé à quoi ils serviront« .

Update (14 Juin 14) : En fait, il existe des matériaux plus complexes encore, comme me l’a communiqué @FxCoudert sur Twitter, en citant en particulier le Baryum métallique, qui, à haute pression, peut avoir jusqu’à 768 sites disctincts (Source : Nature ) !! Il s’agit donc du zéolithe le plus complexe, mais non le solide cristallin le plus complexe…

« An Aluminophosphate Molecular Sieve with 36 Crystallographically Distinct Tetrahedral Sites » J.K. Lee et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2014 Early View.

Sur les zéolithes (et de façon plus générale sur les solides poreux), on pourra aussi lire : « La chimie du XXIe siècle sera hybride et poreuse » sur MyScienceWork.