Détection de satellites : une puissante capacité des neutrons à l'ILL

Les progrès futurs seront définis par le développement de nouveaux matériaux innovants de prochaine génération. Malgré l'ampleur de la tâche, les percées scientifiques dépendront de la compréhension à la plus petite échelle : fondamentalement, les propriétés d'un matériau dépendent de sa structure. Une étude récente met en évidence les connaissances uniques que peuvent apporter l'expertise, les instruments et la technologie neutroniques de pointe de l'ILL.

Les polymères de coordination métal-organique (MOCP) sont un type de matériau formé d'ions métalliques connectés par des molécules organiques en réseaux 2D ou 3D étendus. La polyvalence de leur structure - qui peut être conçue pour créer des propriétés spécifiques - a suscité un intérêt considérable quant à leur potentiel en tant que matériaux multifonctionnels de prochaine génération.

Des recherches sur les formates de métal d'ammonium méthylique, une famille de MOCP, ont été développées à l'ILL par Laura Cañadillas-Delgado et Oscar Fabelo, ainsi qu'avec l'ancienne étudiante en doctorat de l'ILL Madeleine Geers, et en collaboration avec Matthew Cliffe, professeur assistant à l'Université de Nottingham. "Les versions à base de cobalt et de nickel de ces composés sont particulièrement inhabituelles et intéressantes", explique Cañadillas-Delgado. " Leur structure passe d'un état non modulé à un état modulé lorsque la température diminue, ce qui entraîne probablement un changement concomitant dans les propriétés du composé. "

Une structure non modulée fait référence à la structure cristalline classique, composée d'une cellule unitaire qui se répète identiquement dans les trois dimensions. Dans les cristaux modulés apériodiques, en revanche, la cellule unitaire est légèrement décalée dans au moins une direction par rapport au réseau 3D selon une fonction périodique, telle qu'une onde sinusoïdale. "La diffraction neutronique est une technique particulièrement puissante pour étudier les cristaux modulés apériodiques", explique Cañadillas-Delgado. "Un échantillon placé dans un faisceau de neutrons produit un motif de diffraction qui fournit des informations sur la structure du matériau. Avec les cristaux, un motif de diffraction périodique est produit, avec un espacement entre les taches lié aux dimensions de la cellule unitaire. Pour une structure modulée, des réflexions satellites supplémentaires apparaissent également dans le motif de diffraction. "

Cependant, pour résoudre une structure modulée, un nombre important de réflexions satellites est nécessaire. "Le diffractomètre D19 de l'ILL a fourni une capacité unique et de pointe pour cette étude", explique Cañadillas-Delgado. "La longueur d'onde des neutrons a permis de distinguer les réflexions satellites de la réflexion centrale principale, tout en permettant d'acquérir des informations à des angles élevés." Le flux de neutrons disponible à l'ILL - le flux continu le plus intense au monde - est un autre prérequis pour l'acquisition de réflexions satellites à haut angle, en plus de motifs de diffraction exploitables pour des échantillons de taille millimétrique.

Le caractère remarquablement complet de l'étude, récemment publiée dans l'International Union of Crystallography Journal (IUCrJ), a été souligné dans le même numéro par un commentaire de Václav Petříček, professeur à l'Institut de physique de l'Académie des sciences tchèque et responsable du développement du logiciel utilisé pour analyser les structures cristallines apériodiques. "Généralement, seules les réflexions principales du motif de diffraction sont considérées et les réflexions satellites sont ignorées en raison de l'effort considérable requis pour leur analyse", explique Cañadillas-Delgado. "Les structures modulées sont donc largement ignorées et je soupçonne fortement qu'une proportion importante des composés aux propriétés intéressantes actuellement étudiés et publiés présentent des phases modulées non rapportées." De plus, les résultats suggèrent une faible barrière d'énergie entre différentes phases structurelles. La transition entre les structures - et donc les propriétés - pourrait ainsi être contrôlée par un stimulus externe tel que la pression : une découverte clé pour le développement de matériaux intelligents.