Ordre cristallin et amorphe dépendant de l’orientation dans un solide monophase

Quand ordre et désordre coexistent

La plupart des matériaux qui nous entourent se rangent en deux catégories nettes : les cristaux, où les atomes s’alignent selon des motifs répétés comme des carreaux au sol, et les verres, où les atomes sont entremêlés comme un liquide figé. Cette étude révèle une situation surprenante entre les deux : un solide qui se comporte comme un verre dans deux directions mais comme un cristal dans la troisième. Ce mélange inhabituel d’ordre et de désordre pourrait changer notre façon de concevoir des matériaux courants, des batteries aux puces informatiques, et d’en maîtriser la conception à l’échelle atomique.

Un nouveau type de puzzle atomique

Les cristaux se définissent par leur ordre à longue portée : si l’on connaît la position de quelques atomes, on peut prédire celle de bien d’autres. Les matériaux amorphes, comme le verre de fenêtre, n’ont pas cet ordre répété, même si les atomes conservent une distance régulière avec leurs voisins immédiats. Pendant des décennies, les chercheurs ont débattu de la manière de décrire la zone « intermédiaire » d’ordre à moyenne portée, où le motif s’étend sur quelques atomes mais pas indéfiniment. Les auteurs de cet article adoptent un angle différent : au lieu de se demander si un matériau entier est ordonné ou désordonné, ils s’interrogent sur la possibilité que des directions différentes au sein d’un même solide se comportent différemment.

Bâtonnets en couches avec un motif caché

L’équipe a fabriqué des couches minces constituées de petits bâtonnets contenant du niobium, du tungstène et de l’oxygène (Nb–W–O) par dépôt laser pulsé, une technique qui projette des impulsions d’énergie sur une cible céramique pour accumuler du matériau sur une surface cristalline. En choisissant comme substrat un matériau cristallin bien connu, le titanat de strontium, découpé selon différentes faces, ils ont pu contrôler la croissance des bâtonnets Nb–W–O. Les images au microscope électronique ont montré que, à l’intérieur de chaque bâtonnet, les atomes d’une seule couche forment, dans le plan, une organisation désordonnée de type verre. Pourtant, observées selon la direction perpendiculaire, ces couches désordonnées sont empilées avec des espacements presque parfaitement réguliers sur des centaines de plans atomiques : un cristal construit à partir de feuillets vitreux.

Examiner le hasard de près

Pour évaluer le degré d’aléa des couches, les chercheurs ont combiné plusieurs sondes puissantes. Des images en microscopie électronique à haute résolution, ainsi que leurs transformées de Fourier, n’ont montré aucun motif répété dans le plan de chaque couche, confirmant l’absence d’ordre à longue portée. Les mesures de la fonction de distribution des paires, qui tracent les distances typiques entre atomes, ont révélé des pics nets uniquement à très courte distance, indiquant que les atomes forment encore des blocs élémentaires — des unités octaédriques où un atome métallique est entouré d’atomes d’oxygène — mais que tout motif répétitif plus large disparaît rapidement. Des techniques avancées d’absorption X ont confirmé que le niobium et le tungstène occupent ces octaèdres déformés, tandis que des cartes chimiques ont montré que les atomes de niobium et de tungstène sont mélangés sans motif régulier dans la couche.

Feuillets vitreux empilés qui se comportent comme un cristal

Bien que chaque couche soit structurellement désordonnée dans son propre plan, leur empilement vertical n’a rien d’aléatoire. La cartographie de l’espace réciproque en trois dimensions avec des rayons X de synchrotron, méthode qui convertit des motifs de diffusion en une sorte d’empreinte de l’ordre atomique, a révélé des caractéristiques en forme de feuillets correspondant aux simulations d’empilements périodiques de couches amorphes. Selon l’orientation du titanat de strontium sous-jacent, les bâtonnets croissent selon une, deux ou trois directions privilégiées, mais dans tous les cas l’espacement entre les couches est presque identique et fortement lié à l’espacement du cristal du substrat. Autrement dit, le cristal de base joue le rôle d’une règle rigide, contraignant les couches de type verre à s’empiler avec une régularité cristalline le long d’un axe principal, alors qu’elles restent désordonnées latéralement.

Pourquoi cette zone frontière compte

Ce matériau inhabituel montre que la distinction classique entre cristal et verre ne dépend pas seulement de l’étendue de l’ordre, mais aussi des directions considérées. Dans un même solide, les atomes peuvent former un réseau aléatoire continu en deux dimensions tout en s’ordonnant selon un rythme parfait dans la troisième. Cette découverte offre aux scientifiques un nouveau terrain pour ajuster les propriétés : on peut imaginer des matériaux dont la conduction électrique, le transport d’ions ou la solidité mécanique sont très directionnels parce que l’ordre et le désordre coexistent de façon contrôlée. Au-delà de ce système spécifique niobium–tungstène–oxygène, ce travail fournit une plate-forme pour explorer et modéliser des empilements de matières amorphes bidimensionnelles, aidant à affiner notre façon de décrire, mesurer et finalement concevoir des solides situés entre les mondes familiers des cristaux et des verres.

Citation: Xia, R., Li, J., Birkhölzer, Y.A. et al. Orientation-dependent mutual crystalline and amorphous order in a single phase solid. Nat Commun 17, 2646 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69359-3

Mots-clés: matériaux amorphes, ordre cristallin, oxyde de niobium et tungstène, nanobâtonnets en couche mince, structure atomique