La chimie à toute épreuve

Bouteille, tube de verre et solvant, voilà ce que l'on trouve généralement dans un laboratoire de chimie ou dans l'industrie. La chimie utilisant des solvants, ou des matériaux à base de liquide, est la méthode traditionnelle de synthèse. Bien qu'elle soit très efficace, une question inévitable se pose : comment recycler le solvant de manière sûre et respectueuse de l'environnement ? La réponse la plus simple est la chimie sans solvant, mais comment déclencher une réaction chimique sans utiliser de solvant ?

En 1820, Michael Faraday a donné son idée en utilisant la force pure. Il a utilisé la trituration dans un mortier pour induire une réduction mécanique de AgCl avec Zn, Sn, Fe et Cu. Il s'agit probablement de la toute première expérience de ce que l'on appelle la mécanochimie. Par définition, la mécanochimie convertit directement l'énergie mécanique en énergie chimique, ou potentiel chimique. Le broyage mécanique est la façon la plus courante de réaliser la mécanochimie. Mais la force appliquée par le broyage manuel est limitée et, par conséquent, de nombreux matériaux sont chimiquement stables sous un processus mécanique aussi doux. Ici, un travail collaboratif impliquant l'Université de Yantai, HPSTAR, l'Université de Linyi, l'ESRF et la California State University Northbridge, utilise une paire de diamants pour comprimer des poudres d'AgI à des pressions extrêmement élevées, équivalentes à 420 000 atmosphères. Ils ont observé la décomposition de l'AgI en membres élémentaires de l'Ag et de l'I.

"Nous nous intéressons à l'AgI car il a été signalé comme un solide superionique à haute température, dans lequel l'argent est un solide et l'iode se comporte comme un liquide. C'est utile pour fabriquer des électrolytes de batterie", a déclaré Jianfu Li de l'université de Yantai. "Aucune chimie ne se produit entre le cristal ordinaire et le solide superionique. Mais si nous augmentons la pression suffisamment haut, les ions Ag et I sont mobilisés et commencent à réagir."

L'expérience à haute pression a été réalisée au Centre européen de rayonnement synchrotron, où les scientifiques peuvent utiliser des rayons X focalisés à haute énergie pour mesurer la structure des échantillons dans de telles conditions de pression. Ils ont clairement vu la disparition du solide AgI et l'émergence de l'Ag et du I. "Chaque liaison a sa propre limite chimique. Dans ce solide superionique, nous avons atteint la limite chimique de l'AgI en appliquant une pression. Au-delà de cette limite, nous avons vu la décomposition et l'effondrement de l'ionicité", a ajouté Qingyang Hu, un scientifique du HPSTAR. "Cette chimie induite par la pression devrait également se produire dans d'autres solides ioniques comme AgCl et AgBr, mais à des pressions encore plus élevées."

L'expérience a été précédée d'une modélisation computationnelle, dans laquelle l'évolution de la liaison Ag-I et ses propriétés sont prédites à haute pression. "Nous sommes capables de prédire la structure stable de l'AgI dans des conditions de pression pertinentes grâce à l'algorithme dit de recherche structurelle. Il s'agit d'un autre exemple de démonstration de la capacité de cet algorithme", a expliqué le professeur Xiaoli Wang. "En suivant les propriétés ioniques de l'AgI, chaque étape de cette mécanochimie est démontrée théoriquement et parfaitement mise en évidence par notre expérience. Notre approche computationnelle peut éventuellement concevoir de nouvelles voies pour les réactions chimiques."