(1,2) B. Toudic, P. Garcia, C. Odin, P. Rabiller, C. Ecolivet and E. Collet,
P. Bourges3, G.J. McIntyre4, M.D. Hollingsworth5, T. Breczewski6
2 CNRS, UMR 6251, IPR, 263 Avenue du Général Leclerc, 35042 Rennes Cedex, France.
3 Laboratoire Léon Brillouin, CEA-CNRS, CEA Saclay, 91191 Gif-sur-Yvette, France
4 Institut Laue-Langevin, 38042 Grenoble Cedex 9, France.
5 Department of Chemistry, Kansas State University, Manhattan, KS 66506, USA.
6 Facultad de Ciencias, Universidad del Pais Vasco, Apdo 644, Bilbao, Spain.
Une notion fondamentale dans la description des états de la matière et des propriétés physiques associées est la notion d’ordre et de symétrie. Celles-ci ont été longtemps synonyme de périodicité pour les solides, servant également à définir la notion de cristal, paradigme de nombreuses disciplines de la matière condensée durant le XXème siècle.
Une manière de sonder la structure de la matière à l’échelle atomique est d’utiliser la diffusion d’un rayonnement (tels que les rayons X, ou de l’onde associée à des particules : neutrons, électrons… ). La présence d’un ordre à grande distance se caractérise alors par l’apparition de pics de diffraction, formant une image qui reflète la symétrie de l’objet. C’est ainsi qu’ont été découverts ces dernières décennies des matériaux non périodiques, mais néanmoins ordonnés comme le montre leur spectre de diffraction présentant des pics discrets. Les physiciens savent représenter ce type de cristaux comme des cristaux périodiques mais dans un super-espace (de dimension 3+d, où 3 représentent les dimensions de l’espace usuel et d la dimension de l’espace interne).
Nous nous sommes intéressés à des systèmes modèles supramoléculaires apériodiques constitués d’un monocristal d’urée (structure hôte) et de molécules d’alcanes (molécules invitées), dont la longueur est fonction du nombre nC d’atomes de carbones dans la molécule (nC>7). A température ambiante, les plans cristallins de l’urée ont une structure de symétrie hexagonale. Le long de l’axe C perpendiculaire, la structure suit une double hélice formant des canaux dans lesquels s’insérent les molécules d’alcanes. Le long de l’axe C les molécules et le réseau s’ordonnent, mais selon un ordre apériodique.
Spectre de diffraction de neutrons le long de l’axe C*. En dessous de la température critique Tc1 des lignes de surstructure (h=1/2) orientées selon C* apparaissent montrant un changement de symétrie du système. Le long des lignes les pics de diffraction sont caractéristiques d’une nouvelle structure apériodique ordonnée. . Ce doublement de maille est totalement original car il ne se décrit que selon l’espace interne du superespace, cette solution structurale étant inimaginable dans une description à 3 dimensions. Une deuxième phase structurale apparaît en dessous de Tc2.
Ces matériaux apériodiques possèdent des propriétés dynamiques très originales comme le glissement des molécules dans les canaux avec un coût énergétique nul (du fait de l’incommensurabilité entre le réseau cristallin hôte et les molécules invitées). Il semblait ensuite admis à priori que les réorganisations structurales dans ce type de matériaux soient principalement pilotées par les degrés de libertés de l’espace usuel.
Cependant nous venons de montrer, dans une étude par diffraction de neutronsi, qu’il existe des transitions de phase où la structure n’est modifiée que par les seuls degrés de liberté cachés dans l’espace interne du super-espace [1]. Ainsi, la nature utilise ces degrés de liberté pour créer de nouveaux états de la matière inimaginables à 3 dimensions. Ces résultats amènent de nouvelles perspectives pour la compréhension de l’organisation de structure complexes, la nano-manipulation de matériaux, la sub-nanofluidique ou les translocations de polymères. En outre, le couplage de la richesse structurale à la richesse dynamique engendre de nouvelles propriétés physiques ouvrant des perspectives très intéressantes dans de nombreuses disciplines allant de la science des matériaux jusqu’à la biologie.
(i) Travaux réalisés auprès du réacteur de neutrons à haut flux « Orphée » du laboratoire Léon Brillouin (CEA – CNRS, Saclay).
Références :
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[1] Hidden degrees of freedom in aperiodic materials B. Toudic, P. Garcia, C. Odin, P. Rabiller, C. Ecolivet, E. Collet, P. Bourges, G.J. McIntyre, M.D. Hollingsworth, T. Breczewski, Science Report 319 (2008) 69. et l’article associé : A Phase Transition Hidden in Higher Dimensions P. Coppens, Science 319 (2008) 41. |
[2] Pressure-induced lock-in in an aperiodic nanoporous crystal
B. Toudic, F. Aubert, C. Ecolivet, P. Bourges, and T. Breczewski
Phys. Rev. Lett. 96, 145503 (2006)
[3] Interactions in Self-Organized Nanoporous Organic Crystals
L. Bourgeois, B. Toudic, C. Ecolivet, J.-C. Ameline, P. Bourges, F. Guillaume, and T. Breczewski
Phys. Rev. Lett. 93, 026101 (2004)
[4] First one-dimensional stress-strain experiments inside an aperiodic inclusion compound: Evidence of depinning effects
L. Bourgeois, C. Ecolivet, B. Toudic, P. Bourges, and T. Breczewski
Phys. Rev. Lett. 91, 025504 (2003)