La science aux mille facettes

La science aux mille facettes
Les motifs de ce pavage sont symétriques mais ne se répètent pas à l'identique : il est quasi-périodique. C'est l'une des caractéristiques des quasi-cristaux dont il permet l'étude.
© CNRS Photothèque - Philippe Delangle
Cristallographie
La science aux mille facettes

En cent ans, la cristallographie est devenue un outil indispensable pour aller observer le cœur de la matière.

Diamant, quartz, calcite, spath d’Islande... Les premiers cristaux sortent de l’anonymat grâce aux géologues. Ils sont naturels et inertes. Leur symétrie fascine les minéralogistes comme Romé de L’Isle ou l’abbé Haüy qui, dès le 18e siècle, cherchent à les classer rationnellement et à expliquer leur faciès et leur mode de croissance.
Au 19e siècle, les savants sont d’accord pour dire qu’un cristal est constitué par la répétition, par translation, dans trois directions de base, d’un motif élémentaire dont on connaît la composition chimique (par exemple CaCO3 pour la calcite), mais sans connaître la disposition relative des atomes. On est à l’ère de la minéralogie macroscopique.

La matière n’est plus continue
« Jusqu’au 19e siècle, minéralogistes et mathématiciens sont allés très loin dans l’étude des cristaux grâce à leurs observations macroscopiques, note Bertrand Toudic, physicien à l’Université de Rennes 1. Ils n’ont pas attendu les rayons X ! » Découverts en 1895(1), après les notions d’atomes, de noyaux et d’électrons, les rayons X viennent juste confirmer ce qui était déjà connu : les cristaux sont des empilements réguliers. Quand ils traversent un cristal, les rayons X sont déviés (diffractés)(2). Leur projection sur un plan forme des taches de diffraction (ou taches de Bragg)(3), qui permettent de déduire la position des atomes dans les mailles du cristal. « On sort alors du concept de la matière continue », ajoute Bertrand Toudic. Et on entre dans l’ère de la cristallographie microscopique.

Plein de propriétés intéressantes
Pourquoi les cristaux intéressent-ils tant les scientifiques ? Parce que les arrangements si particuliers des atomes qui les constituent leur confèrent des propriétés mécaniques, électriques, optiques... très intéressantes. Dans le diamant et le carbure de silicium (un cristal de synthèse), chaque atome a quatre voisins, ce qui donne à ces cristaux une très grande dureté. Du fait de la symétrie de la disposition de ses atomes, le quartz est piézoélectrique : il présente une polarisation électrique(4) quand il est soumis à une contrainte. La calcite présente une forte biréfringence, c’est-à-dire la capacité de dédoubler un faisceau lumineux incident. « Mais les cristaux peuvent également présenter des propriétés dues à des imperfections dans l’arrangement des atomes qui les constituent, souligne Christian Willaime, ancien directeur de l’UFR Sciences et propriétés de la matière de l’Université de Rennes 1, qui a été formé dans le laboratoire du cristallographe Hubert Curien. Il peut y avoir quelques atomes manquants, des lacunes, ou au contraire des atomes supplémentaires (interstitiels), ou bien des atomes d’une autre nature (substitutions). Ces défauts ponctuels induisent des propriétés électriques qui caractérisent les semi-conducteurs. Les imperfections peuvent être plus étendues. Quand il s’agit de toute une ligne de défauts, on parle alors de dislocation, ce qui a des répercussions sur la plasticité des cristaux. » La connaissance de ces défauts, voire le contrôle de leur création grâce à des outils extrêmement pointus, permet de modifier les propriétés des cristaux.

La cristallographie d’aujourd’hui
Au cours du 20e siècle, la cristallographie est devenue un outil puissant. Et qui ne concerne plus que la matière inerte. Quand des composés ne forment pas naturellement des cristaux, qu’à cela ne tienne : les scientifiques les fabriquent ! Et cela est loin d’être évident, notamment avec des molécules grosses et compliquées, comme les protéines. « La formation des cristaux est primordiale. C’est grâce à leurs répétitions périodiques que l’on arrive à simplifier un problème très compliqué au départ, reprend Bertrand Toudic. Les puissances de calcul et les algorithmes disponibles aujourd’hui permettent d’interpréter des taches de diffraction de plus en plus complexes. » Dans les années 80, les scientifiques ont encore franchi une étape en découvrant des matériaux apériodiques qui diffractaient comme des cristaux et qu’ils ont appelés les quasi-cristaux.

Des projets faramineux
La cristallographie connaît aujourd’hui une révolution extraordinaire par le développement au niveau mondial de sources de rayons X ultra-intenses dans de grands équipements. Les technologies se sont diversifiées : en plus de la diffraction de rayons X, les scientifiques utilisent maintenant la diffraction des neutrons ou des électrons (microscopie électronique à transmission) dont le diamètre du faisceau, beaucoup plus fin, permet de cibler des échantillons plus petits. « Ces projets faramineux, tant du point de vue technologique que des coûts, ouvrent des champs de recherche extraordinaires dans des domaines multiples, allant du vivant aux nouveaux développements industriels. » Les chercheurs bretons sont bien au fait de ces avancées. Leur présence dans les grands équipements scientifiques nationaux et internationaux, comme les synchrotrons, est une reconnaissance de leurs savoir-faire.

La cristallographie, tout un art !

Il y a cent ans, en 1914, le physicien allemand Max von Laue recevait le Prix Nobel pour sa découverte de la diffraction des rayons X par un cristal. Cette date marque les débuts de la cristallographie moderne, à l’origine de vingt-neuf prix Nobel.

L’Année internationale de la cristallographie (AICr 2014) est l’occasion de mettre à l’honneur toutes ces découvertes qui se déroulent aussi bien dans le champ des mathématiques, que de la physique, la chimie, la géologie ou la biologie. Avec aussi des liens vers l’art. Parmi les manifestations organisées en Bretagne et notamment à Rennes, l’exposition Entrez en matière ! La cristallographie entre art et science a construit ce pont. Accompagnées par des chercheurs de l’Université de Rennes 1, seize étudiantes du Master Magemi(5) de l’Université Rennes 2 ont rapproché œuvres artistiques et objets scientifiques : les cristaux y deviennent des étoiles du monde inférieur, tandis que des molécules du vivant dévoilent leur esthétisme, comme ce ribosome sous cloche, imprimé par une imprimante 3D !

Rens. : 
Nathalie Audebrand nathalie.audebrand@univ-rennes1.fr https://aicr2014.univ-rennes1.fr Exposition : Entrez en matière (jusqu’au 13 juin) Le Diapason, Université de Rennes 1, campus de Beaulieu Tél. 02 23 23 55 68 culture@univ-rennes1
Nathalie Blanc

(1)Les rayons X ont été découverts par le physicien allemand Wilhelm Conrad Röntgen, qui reçut le Prix Nobel de physique en 1901.

(2)La diffraction des rayons X par un cristal a été découverte par un autre physicien allemand, Max von Laue. Elle lui valut le Prix Nobel en 1914, dont nous fêtons le centenaire avec l’Année internationale de la cristallographie.

(3)Autre découverte majeure de William Henry Bragg et son fils William Lawrence Bragg à l’origine d’un Prix Nobel en 1915.

(4)Sens du courant.

(5)Master Gestion, mise en valeur des œuvres d’art, des objets ethnographiques et techniques.

Contacts

Bertrand Toudic Tél. 02 23 23 67 19
bertrand.toudic@univ-rennes1.fr

Christian Willaime
christian.willaime@orange.fr