Deux lamelles de mica, lisses comme des miroirs, se rapprochent lentement dans une solution de calcium. À une distance de cinquante nanomètres, une barrière invisible surgit soudain entre elles : comme si quelqu'un avait tendu une toile de molécules entre les parois. Cette toile empêche les lamelles de se toucher, alors que, selon tous les calculs, elles devraient glisser librement l'une vers l'autre.
Les chimistes d'Oxford ont mesuré la force de cette répulsion à l'aide d'une balance des forces de surface, un instrument qui détecte la pression avec une précision d'un dixième de nanomètre. Dans une solution de chlorure de calcium à 0,28 mole par litre, la répulsion apparaissait pour des espacements de dix à cinquante nanomètres. La théorie classique DLVO, qui décrit l'interaction de surfaces chargées dans un liquide, est ici impuissante : elle ne prédit qu'une faible répulsion électrostatique, qui aurait dû disparaître depuis longtemps à de telles distances.
Pour comprendre la nature de cette viscosité, les scientifiques ont comparé des solutions contenant différents ions. Dans une solution de chlorure de magnésium, rien de tel n'a été observé. En revanche, dès qu'on ajoutait du chlorure de potassium à la solution de calcium, la répulsion disparaissait, comme si la toile avait été emportée par l'eau. Les ions potassium chassaient le calcium de la surface du mica et détruisaient le réseau, qui, selon toute vraisemblance, était constitué d'ions calcium hydratés liés à des ions carbonate, toujours présents dans l'eau en raison du dioxyde de carbone dissous.
Un modèle où la viscosité près de la surface décroît exponentiellement avec la distance s'ajuste parfaitement aux données. L'excès de viscosité était de 7,7 ± 2,7 millipascals-secondes, soit seulement sept fois plus que celui de l'eau pure, mais cela a suffi pour que la force de répulsion augmente de plusieurs dizaines de fois. La longueur caractéristique de décroissance était de 34,3 ± 8,7 nanomètres. Et pour des espacements inférieurs à dix nanomètres, la force devenait élastique : le réseau cessait de s'écouler et commençait à agir comme un ressort, tel un mince film de gel d'environ cinq nanomètres d'épaisseur sur chaque surface.
Jusqu'à présent, on ignorait si de tels amas pouvaient exister dans une solution non saturée, où le sel n'a pas encore atteint sa limite de solubilité. Il s'avère qu'ils le peuvent, à condition qu'une surface minérale soit à proximité. Elle stabilise le réseau, l'empêche de se dissocier, et prépare ainsi le terrain pour le futur cristal. Cela explique pourquoi la cristallisation du carbonate de calcium commence si souvent sur les parois des récipients, dans les pores du tissu osseux ou à la surface des coquilles de mollusques, même lorsque la solution est encore loin de la saturation.
Comprendre comment les surfaces stabilisent les réseaux ioniques pourrait aider à contrôler la cristallisation du carbonate de calcium dans les technologies de capture du dioxyde de carbone, où ce minéral se dépose sur les parois des réacteurs. Et aussi à créer des matériaux biomimétiques qui reproduisent la structure de composites naturels comme la nacre. La toile invisible contre la paroi minérale s'est révélée être non pas une simple curiosité, mais un maillon clé dans la chaîne qui mène de la solution au cristal.
La viscosité du film détecté n'est que sept fois supérieure à celle de l'eau pure, mais cela suffit pour que la force de répulsion entre les lamelles de mica augmente de plusieurs dizaines de fois par rapport à la prédiction classique.