La science aux mille facettes

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.