La contrainte mécanique engendre la chiralité
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La contrainte mécanique est l'un des moyens les plus courants utilisés pour adapter les propriétés des matériaux. Dans les matériaux piézoélectriques, l'étirement ou la compression d'un cristal génère une polarisation électrique. Dans les matériaux piézomagnétiques, cela induit une magnétisation. Des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) et de l’université d’Oxford viennent de découvrir que la contrainte mécanique induit également une chiralité dans des cristaux non chiraux, ouvrant ainsi une nouvelle voie pour contrôler cette propriété à volonté et, potentiellement, imprimer des propriétés électroniques chirales. Ces travaux viennent d’être publiés dans la revue *Nature*.
La chiralité est une propriété importante de la matière. Elle se définit comme la propriété d’objets qui ne peuvent pas être superposés à leur image miroir par aucune combinaison de rotations ou de translations, à l’instar des mains gauche et droite qui sont distinctes. Dans les cristaux chiraux, la disposition spatiale des atomes donne lieu à une « main » spécifique, la structure cristalline s’enroulant le long d’une direction de propagation à la manière d’une vis. En conséquence, la propagation dans un sens, par exemple celle d’un courant électrique, peut rencontrer une résistance différente de celle rencontrée dans le sens opposé. Cet effet influence également certaines réactions chimiques et certains processus biologiques, qui privilégient une chiralité spécifique. En ce sens, la capacité à contrôler la chiralité à volonté, en transformant une structure dextrogyre en une structure lévogyre, est très souhaitable.
Pourtant, « contrairement à la polarisation électrique ou à la magnétisation, la chiralité ne disposait pas jusqu’à présent d’un levier physique général permettant un contrôle externe », note Zhiyang Zeng, premier auteur de cette étude. Les chercheurs du MPSD ont désormais démontré que la contrainte mécanique offre précisément ce moyen de contrôle. Plutôt que de synthétiser un matériau chiral, ils partent d’un cristal qui n’est pas chiral à l’état non contraint. L’application d’une contrainte réorganise les positions des atomes dans le cristal juste assez pour créer une structure gauchère ou droitière.
Pour démontrer cet effet, l’équipe a surveillé l’apparition de l’activité optique du cristal – une signature caractéristique de la chiralité – tout en appliquant une contrainte mécanique contrôlée. Fait remarquable, la sensation de l’état chiral induit est déterminée par les conditions de contrainte. Les contraintes de traction et de compression génèrent des sens de chiralité opposés, tandis que l’application d’une contrainte selon différentes directions cristallines offre un autre moyen de sélectionner l’état chiral résultant. « La déformation étant réversible, la chiralité induite peut être générée, supprimée et sélectionnée à plusieurs reprises », explique Michael Först, coauteur de cette publication.
Au-delà de la démonstration expérimentale de cet effet, l’équipe a établi un cadre théorique qui révèle dans quels cas la symétrie cristalline permet l’apparition de cet effet piézochiral. Elle s’en est servie pour constituer une base de données en libre accès répertoriant les matériaux candidats ( https://piezochiral.org ), permettant ainsi aux chercheurs du monde entier de rechercher et d’explorer des cristaux piézochiraux.
Ces travaux établissent une nouvelle stratégie pour l’ingénierie de la chiralité. Au lieu d’être fixée de manière permanente par la croissance cristalline ou la synthèse chimique, la chiralité peut désormais être générée, contrôlée et activée à la demande dans un matériau initialement achiral. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle des matériaux mécaniquement reconfigurables.
« Nous avons baptisé ce phénomène “effet piézochiral” », explique Andrea Cavalleri, qui a dirigé ces recherches à Hambourg (en collaboration avec Paolo Radaelli de l’université d’Oxford). « Il permet d’induire une chiralité dans des substrats destinés à une grande variété de films minces ou dans des matériaux massifs, et pourrait déboucher sur des stratégies visant, par exemple, à créer de nouveaux types de propriétés chirales telles que la supraconductivité. »
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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