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La formation des carbonates vue à l’échelle nanométrique

par assistant com’ - 6 septembre 2013 ( maj : 13 septembre 2013 )

La formation et la dissolution des minéraux de carbonate de calcium est un des processus chimiques les plus importants dans l’environnement terrestre. Une étude parue récemment dans la revue Science, issue d’une collaboration entre chercheurs des Etats-Unis, d’Australie et de l’ISTerre, basée notamment sur la modélisation numérique, révèle une étape inattendue de coalescence de gouttes denses à l’échelle nanoscopique, précédant la formation des carbonates de calcium.

Le carbonate de calcium est omni présent dans la nature. Il constitue les barres calcaires de la plupart des montagnes, comme la coquille de nombreux organismes. Sa précipitation ou dissolution détermine la capacité de l’océan à tamponner la hausse des niveaux de CO2 atmosphérique, et contrôle la capacité des formations géologiques à stocker le carbone. La fixation métabolique du carbone par les bactéries et les organismes eucaryotes a aussi un impact important sur la capacité des systèmes naturels à stocker le carbone, car elle entraine souvent la formation de carbonates biogéniques. L’intérêt de l’étude de la cristallisation des minéraux de carbonate de calcium provient également du désir de développer des nouveaux matériaux biomimétiques en utilisant les stratégies de biominéralisation.

Ceci explique pourquoi depuis des décennies les chimistes et géochimistes tentent de cerner au plus près, à l’échelle atomique, les mécanismes et conditions de précipitation du carbonate de calcium. Le mécanisme qui a longtemps prévalu est celui de la nucléation, selon laquelle très schématiquement les ions s’agrègent les uns aux autres, en surmontant une barrière énergétique, pour former une nouvelle phase à partir d’une solution aqueuse saturée.

Représentation atomistique des clusters d’une phase liquide dense (en rouge au fond de l’image). Les atomes d’un des clusters sont montrés au premier plan.
© Berkeley Lab

Des études expérimentales récentes avaient remis en cause ce schéma en révélant la formation de clusteurs stables de taille nanométriques pré-existant à la précipitation, ouvrant ainsi un nouveau débat sur la formation du carbonate de calcium chez les spécialistes.

C’est le recours à la simulation numérique, à la physique statistique et à des expériences de diffusion de rayons X qui a permis de franchir une nouvelle étape. L’équipe internationale composée de chercheurs américains, français et australiens révèlent dans la publication parue récemment dans la revue Science que dans une solution sursaturée des gouttelettes de liquide dense – les clusters précédemment évoqués - peuvent se former spontanément et fusionner par coalescence pour former un solide amorphe (ACC, carbonate de calcium amorphe), étape précédent la cristallisation. Ce type de processus connu dans les alliages et les polymères, était inattendu dans les solutions salines dans la gamme des sursaturations étudiées, proche des concentrations des océans.

Bien que la séparation liquide-liquide [1] dans les simulations du système CaCO3-H2O soit un résultat inattendu, il suggère un moyen de générer des phases nano-et-mésoscopiques compatibles avec les mécanismes de séparation des phases établies. Ces résultats indiquent aussi qu’une séparation de phase liquide-liquide spontanée peut se produire dans la gamme de sursaturations des eaux naturelles, ce qui peut donner lieu à la formation de carbonates à travers des mécanismes qui n’avaient pas été considérés jusqu’à présent. Ce mécanisme ouvre des perspectives dans la synthèse des matériaux biomimétiques du futur.

Pour en savoir plus
Voir l’animation du Berkeley National Laboratory (youtube)

Contact scientifique local
- Alejandro Fernandez-Martinez, ISTerre-OSUG : Alex.Fernandez-Martinez@ujf-grenoble.fr - 04 76 63 52 00

Cette actualité est également relayée par
- l’Institut National des Sciences de l’Univers du CNRS - INSU
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Référence
Microscopic Evidence for Liquid-Liquid Separation in Supersaturated CaCO3 Solutions, Wallace A. F.1,2,3, Hedges L. O.1,2, Fernandez-Martinez A.1,4, Raiteri P.5, Whitelam S.2, Waychunas G. A.1, Gale J. D.5, Banfield J. F.1,6, De Yoreo J. J.2,7,8, Science (2013) 341, 885-889
1 Earth Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA.
2 The Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, USA.
3 Department of Geological Sciences, University of Delaware, Newark, USA.
4 Institut des Sciences de la Terre (Université Joseph Fourier, CNRS, Université de Savoie, IRD, IFSTTAR), France.
5 Nanochemistry Research Institute, Department of Chemistry, Curtin University, Perth, Australia.
6 Department of Earth and Planetary Science, University of California, Berkeley, Berkeley, USA.
7 Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, Berkeley, USA.
8 Physical Sciences Division, Pacific Northwest National Laboratory, Richland, USA.


[1C’est-à-dire ici, une phase dense composée par des ions de carbonate, de calcium et de molécules d’eau (liquide 1) et l’eau (liquide 2)

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