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Cristal

Introduction

Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont le spectre de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la...) est essentiellement discret est un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de...). Sur la base d'une propriété structurelle essentielle, cette définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la division entre les définitions réelles et les définitions nominales.) englobe les cristaux classiques mais aussi une variété récemment établie qu'on a appelée quasi-cristal. Les propriétés empiriques des cristaux s'expliquent par deux facteurs : leur composition atomique et l'arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) spatial des atomes.

Les cristaux les plus communs sont la neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une...), le sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il...), les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes). Ainsi, traditionnellement, le cristal est un solide polyédrique, plus ou moins brillant, à structure régulière et périodique, formée d'un empilement ordonné d'un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'atomes, de molécules ou d'ions.

Cristaux.

« Ordonné » signifie qu'un même motif est répété à l'identique selon un réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet),...) régulier. La plus petite partie du réseau permettant de recomposer l'empilement est appelée une maille.

« Grand nombre » résulte des grandes dimensions du cristal (quelques micromètres à plusieurs millimètres) en comparaison avec la taille d'une maille : typiquement quelques dixièmes de nanomètres.

On appelle phénocristal un cristal de taille exceptionnelle, mais la plupart des cristaux qu'on observe sont composés de plusieurs cristaux accolés (ou cristallites). Dans le premier cas on parle de « monocristal » et dans le second de « polycristal ». Un monocristal dont l'une des dimensions est inférieure à 100 nm est une nanoparticule qu'on appelle aussi nanocristal (Un nanocristal (ou particule quantique, ou quantum dot, ou encore qdot) est un cristal semi-conducteur d'un diamètre de quelques nanomètres. A cause de sa petite taille, il se comporte comme un puits de potentiel qui confine les électrons...). Si cette dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son...) est réduite au minimum, c'est-à-dire à une seule couche d'atomes, on observe un cristal monoplan (Un monoplan est un avion ayant une seule paire d'ailes comme plan de sustentation. Depuis la fin des années 1930, tous les avions classiques sont monoplans.), tel le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.).

Un cristal idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau. Les idéaux généralisent de façon féconde l'étude de la...) ne comporte pas de défauts cristallins, mais les cristaux réels sont loin de cette perfection. Au-delà d'une certaine concentration des défauts, le concept de structure cristalline cesse d'être utile et l'on considère que c'est un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) amorphe tel que le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium...). L'état amorphe s'apparente fortement à l'état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) mais il existe aussi des cristaux liquides (Un cristal liquide est un état de la matière qui combine des propriétés d'un liquide conventionnel et celles d'un solide cristallisé. On exprime son état par le terme de...).

Historique

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique...) des cristaux est loin d'être récente. Déjà les Égyptiens connaissaient la turquoise et les gemmes (diamant, saphir (Le saphir est une variété gemme de corindon pouvant présenter de multiples couleurs, sauf la couleur rouge qui désigne alors uniquement le rubis. Le saphir est une pierre précieuse), émeraude, rubis) étaient très appréciés au temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de l'antiquité. En 64 avant J.-C., Strabo invente le mot Krystallos pour désigner le quartz. Il est évident que les cristaux ont toujours fasciné tant par leur aspect translucide et coloré que par leur forme facettée. Ces deux aspects sont intimement liés aux propriétés physiques propres aux cristaux et au fait qu'ils soient ordonnés. Cependant cet ordre est resté fort longtemps incompris. L'histoire de la cristallographie s'étale principalement sur deux siècles (XIXe et XXe siècles).

À partir de la fin du XVIIIe siècle, l'approche que l'on va avoir du monde (Le mot monde peut désigner :) des cristaux va être d'ordre purement géométrique, inspirée en cela par l'extrême rigidité du monde minéral. Domaine réservé tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord aux naturalistes, la cristallographie va prendre son envol en France essentiellement au cours des XIXe et XXe siècles et sera marquée principalement par trois figures : Jean-Baptiste Romé de l'Isle, René Just Haüy (L'abbé René Just Haüy, né le 28 février 1743 à Saint-Just-en-Chaussée dans l'Oise et mort le 3 juin 1822 à Paris, est le fondateur de la minéralogie moderne (et frère de Valentin qui consacra sa vie aux aveugles). Titulaire d'une...) et Auguste Bravais (Auguste Bravais (23 août 1811, Annonay - 30 mars 1863, Le Chesnay, France) fut un physicien français, réputé notamment pour ses travaux en cristallographie (cf. les réseaux de Bravais et les lois...).

La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient...) classique des cristaux

Romé de l'Isle, en reprenant les travaux de Stenon, remarque en 1772 que, bien que les faces des cristaux soient en général de tailles différentes du fait même de leur croissance, deux faces adjacentes forment toujours entre elles des angles égaux. Cette loi tout à fait générale ouvre la voie à une description unique de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme...) des cristaux en termes purement géométriques. Cependant il n'arrivera pas à déterminer l'ensemble des formes à partir de ce principe unique.


C'est l'abbé René Just Haüy qui va réaliser le bond en avant et ceci par une découverte fortuite ! En faisant tomber un cristal de calcite, il découvre qu'en se brisant, les fragments de tailles différentes présentent toujours le même caractère de facette que le cristal d'origine. Hauy en déduit que le cristal d'origine peut être décrit par un empilement de « molécules » semblables qu'il nomme « molécule intégrante ». Celles-ci, de forme parallélépipédique, s'emboîtent parfaitement pour constituer un solide homogène. D'après ce principe, la forme d'un cristal va dépendre du nombre d'éléments le composant, de sorte que les faces du cristal soient formées de minuscules gradins. En effectuant ainsi ce qu'il appelle le « décroissement égal sur tous les sommets », et qui consiste simplement à enlever des parallélépipèdes en nombre décroissant à partir des sommets ou d'une arête de la forme complète, il explique un grand nombre de formes naturelles (par exemple à partir d'un cube (En géométrie euclidienne, un cube est un prisme dont toutes les faces sont carrées. Les cubes figurent parmi les solides les plus remarquables de...), on peut par décroissement à partir des sommets obtenir une morphologie octaédrique, comme par exemple celle de la fluorine). Il retrouve ainsi la loi de Rome de L'Isle sur la constance des angles puisque pour un empilement les angles sont conservés, et explique du même coup la notion de clivage (Le clivage est l'aptitude de certains minéraux à se fracturer selon des surfaces planes dans des directions privilégiées lorsqu'ils sont soumis...).

Son travail ne s'arrête pas là puisqu'il trouve de façon mathématique que beaucoup de formes idéalisées peuvent être décrites par 3 types de parallélépipédiques, dits primitifs. Du même coup, il montre l'impossibilité de construire un cristal avec des prismes pentagonaux, octogonaux. Gabriel Delafosse, élève d'Hauy remplacera le terme de molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) intégrante par celui de « maille élémentaire », terme qui restera à la postérité. Cependant, les déductions d'Hauy ne sont pas complètes pour décrire l'ensemble des structures cristallographiques. Ceci nous amène à la définition du cristal, plus précisément du réseau cristallin, comme étant la répétition d'une maille élémentaire dans les trois directions de l'espace : un cristal est un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est...) périodique.

Les travaux d'Hauy vont être repris par Weiss lequel va recenser les faces d'un cristal par rapport à des éléments de symétrie. Ce principe très important en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) va guider toute la cristallographie. Ainsi, pour passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) d'une face à l'autre, il est possible d'appliquer une opération de symétrie qui peut être une rotation, une inversion par rapport à un centre.

Cristal rose.

En 1848, Auguste Bravais rend une étude purement mathématique sur la classification des cristaux. Il décrit l'ensemble des structures possédant des symétries d'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) compatibles avec la triple périodicité des cristaux dans les trois directions de l'espace (symétrie de translation). Il trouve ainsi 32 classes de symétrie réparties en 14 types de réseaux, les réseaux de Bravais que l'on peut regrouper en 7 systèmes définissant la forme de la maille élémentaire. Cette analyse affirme simplement que l'on ne peut disposer les points d'un réseau de façon arbitraire. Prenons le cas plus simple d'un réseau du plan (les résultats se généralisent à 3D).

L'ère purement géométrique venait de finir, elle avait permis la classification exhaustive de l'ensemble des structures, reste à savoir ce qu'était véritablement une structure réelle. En cette fin de XIXe siècle, la physique est en ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce phénomène est une vaporisation.) tant le concept d'atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) bouleverse les règles établies. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) atomiste naissante est en partie bâtie à partir des conclusions fournies par la cristallographie. Gabriel Delafosse en introduisant le concept de maille avait déjà pressenti que l'on pouvait dissocier organisation (Une organisation est) et composant élémentaire : le cristal peut être décrit par une maille élémentaire décorée par un motif atomique.

La découverte de la nature réticulaire des cristaux, c'est-à-dire le fait que l'on puisse décrire les structures comme un ensemble de familles de plans (un empilement de couches d'atomes), chaque plan d'une même famille étant séparé d'une distance constante, la distance interréticulaire, a des conséquences importantes. Elle est due à Max von Laue qui découvre que les rayons X sont diffractés par la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état...) cristalline. Ce phénomène a lieu lorsque que la taille de la fente par laquelle on fait traverser un rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) est de l'ordre de la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...). Pour un cristal, la distance entre deux plans est de l'ordre de la distance entre atomes, c'est-à-dire 1/10 de milliardième de mètre (Le mètre (symbole m, du grec metron, mesure) est l'unité de base de longueur du Système international (SI). Il est défini, depuis 1983, comme la distance parcourue par la lumière dans le vide...). Dans ce cas pour obtenir le phénomène de diffraction, il faut un rayonnement dont la longueur d'onde est très courte. Cette condition est réalisée par les rayons X et c'est grâce à eux que l'on peut sonder la matière ! En particulier lorsqu'on éclaire un cristal dans une orientation particulière, le rayonnement n'est diffracté que dans des directions spécifiques : on obtient des clichés dits de diffraction, un réseau de taches qui a les mêmes symétries que le cristal.

Maille du chlorure de sodium : un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps...) de chlore (Le chlore est un élément chimique de la famille des halogènes, de symbole Cl, et de numéro atomique 17.) (vert) et un atome de sodium (Le sodium est un élément chimique, de symbole Na et de numéro atomique 11. C'est un métal mou et argenté, qui appartient aux métaux alcalins. On ne le trouve pas à l'état de corps pur...) (bleu) forment le motif élémentaire qui se retrouve aux sommets et aux centres des faces d'un cube élémentaire.

Le travail de caractérisation des structures cristallines fut alors engagé par William Lawrence Bragg aidé par son père et ne cessa de se développer avec un grand succès.

Il a ainsi été possible d'identifier un grand nombre de structures. Par exemple, les métaux cristallisent selon trois types de réseaux : cubique centre (fer, chrome), cubique faces centrées (aluminium, cuivre), et hexagonal (zinc, titane). D'autres structures cristallisent aussi. C'est par exemple les protéines, les virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise les constituants pour se multiplier. Les virus existent sous une forme...). L'exemple reste le plus célèbre est celui de la molécule d'ADN, constituant élémentaire de nos cellules. En 1953, Crick et Watson découvrent la structure en double hélice (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) de cette molécule grâce à l'analyse des clichés de diffraction réalisés dans l'ombre (Une ombre est une zone sombre créée par l'interposition d'un objet opaque (ou seulement partiellement opaque) entre une source de lumière et la surface sur laquelle se réfléchit cette...) par R. Franklin de la molécule cristallisée.

Le sel de mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) est lui aussi un cristal : celui de chlorure de sodium (NaCl) qui cristallise selon un réseau cubique faces centrées. Dans ce cas on comprend mieux la notion de maille et de motif atomique décorant la maille.

Cristallisation

Un cristal naît, si la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) d'une coulée descend assez lentement sous le point (Graphie) de fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes...) et que le mouvement thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur...) des différents atomes atteint une valeur si faible que les connexions réciproques ne peuvent plus être fracturées par des oscillations - on vient en formation d'un treillis uniforme qui est marqué par un ordre à distance. Ce treillis uniforme a une plus faible enthalpie libre (La fonction enthalpie libre G a été introduite par Willard Gibbs. Elle est associée au second principe de la thermodynamique, principe d’évolution...) que le verre amorphe, qui se dispose seulement un ordre local (la disposition locale des atomes ne se répète pas régulièrement dans un verre) . On qualifie ce processus de cristallisation. Dans les cas où la température d'une coulée descend rapidement différents phénomènes sont observés et les solides ainsi obtenus peuvent avoir de propriétés bien particulières.

La science contemporaine des cristaux

Au début des années 1980, travaillant sur un alliage (Un alliage est une combinaison d'un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques.) d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...) et de manganèse rapidement solidifié Dan Schechtman obtint un spécimen cristallique qui présentait un cliché de diffraction très particulier. Le cliché était très net, ce qui indiquait une structure cristalline, mais il présentait une symétrie pentagonale qui selon la théorie bien établie était impossible. Différentes explications furent avancées mais bientôt il fallut se rendre à l'évidence : une nouvelle variété de cristaux avait été découverte. Trois autres chercheurs, I. Blech, J. W. Cahn et Denis Gratias ont signé avec Schechtman l'article fondateur, paru en 1984. Cette publication signale le début d'une véritable révolution scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...): d'abord une controverse, amenant bientôt un renversement d'opinion, et que suit la découverte rétrospective des cas occultés auparavant. Les cristaux classiques et bien connus sont depuis considérés comme un cas particulier: ce sont des cristaux périodiques. Dans une autre catégorie on classe les cristaux apériodiques ou sont inclus les cristaux incommensurables reconnus avant la découverte de ceux qu'on appelait quasi-cristaux. Au début des années 1990, l'Union internationale de cristallographie a adopté une nouvelle définition de son objet principal, le cristal. Ainsi, on admet maintenant que la périodicité est une composante suffisante mais non nécessaire à l'ordre cristallin.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0. Vous pouvez soumettre une modification à cette définition sur cette page.

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