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De la nature à la paillasse, il était une fois le cristal

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De la nature à la paillasse, il était une fois le cristal

Durant des siècles, l’homme a cherché à transformer le plomb en or. Il n’y est jamais parvenu, mais il a réussi à transformer le charbon en diamant ! La longue quête du chimiste qui cherche à comprendre et à maîtriser les transformations de la matière, a commencé dans l’Antiquité, pour se poursuivre aujourd’hui plus que jamais, dans les laboratoires de chimie.

 

L’héritage de l’Antiquité : qualités et formes

Au Ve siècle av. J.-C., Empédocle propose une théorie de la matière fondée sur quatre éléments-principes : l’eau, l’air, le feu et la terre. Environ un siècle plus tard, Platon introduit une dimension géométrique en associant un polyèdre à chaque élément : l’eau et l’icosaèdre, l’air et l’octaèdre, le feu et le tétraèdre, la terre et le cube. Pour Aristote, chaque élément possède deux des quatre qualités suivantes : l’humide, le sec, le chaud et le froid. La philosophie antique posait ainsi les bases de la matière minérale.

 

Le tableau de Mendeleïev ou l’alphabet du chimiste

Au XVIIe siècle, les travaux de Lavoisier laissaient supposer que les éléments qui avaient un sens étaient ces corps chimiques purs qui ne peuvent pas être décomposés en corps plus simples. Vers 1870, le Russe Mendeleïev propose une amorce de tableau dans lequel il numérote les éléments et les classe selon leurs comportements chimiques, mettant ainsi en évidence des périodicités. Des cases laissées vides préfigurent la découverte de nouveaux éléments. À gauche, les alcalins, à droite, les gaz rares, très peu réactifs. La frontière entre les métaux (à gauche) et les non métaux (à droite) est formée par les métalloïdes (bore, silicium, germanium, arsenic, tellure et polonium). On connaît aujourd’hui 118 éléments.

 

Les états de la matière

La notion d’état de la matière se précise au XIXe siècle : l’état gazeux évoque l’air ; l’état liquide, l’eau ; l’état de plasma, le feu ; et enfin, l’état solide, la terre. La chimie des gaz a permis de définir la notion d’atome (plus petite particule matérielle d’un élément, de l’ordre de 0.0000000001 mètre) et de molécule (assemblage de plusieurs atomes liés entre eux par des liaisons bien précises). La chimie des liquides concerne notamment l’eau et sa capacité à dissoudre un grand nombre de corps. Les atomes et molécules dissous présentent une charge électrique excédentaire ou déficitaire, ce sont les ions, acides et basiques. Le plasma, gaz ou mélange gazeux plus ou moins ionisé, est l’état le plus commun dans l’Univers. L’état solide présente de grands intérêts pratiques et économiques, car il concerne la majorité des matériaux.

 

Mesolite. Na2Ca2Al6Si9O30, H2O. 21x17x12 cm. Poona, Maharashtra, Inde © Jean-Pierre Boisseau. Collection des minéraux de l’UPMC

 

Le cristal, toute une histoire !

La matière solide adopte parfois naturellement des formes géométriques parfaites (cubes, tétraèdres ou octaèdres). Ces formes, appelées cristaux, peuplent le monde souterrain comme les mines. À la fin du XVIIIe siècle, Jean-Baptiste Romé de L’Isle et René-Just Haüy ont jeté les bases de la cristallographie. Deux communautés de savants se sont dès lors intéressés à la cristallographie : les minéralogistes qui y puisent de quoi caractériser et diagnostiquer les minéraux, et les chimistes qui essaient de deviner les formes des particules ultimes (les molécules) à partir des cristaux.

 

Au XXe siècle, la vision du cristal évolue. On distingue deux grandes familles : les cristaux moléculaires, empilements de molécules qui peuvent exister hors du cristal (la glace) ; les cristaux réticulaires dans lequel le cristal est une molécule géante dans laquelle les atomes et ions sont agencés de manière régulière ou périodique (le sel de cuisine, NaCl).

 

La chimie du solide identifie les arrangements locaux d’atomes dans le cristal réticulaire. Les polyèdres sont de véritables briques élémentaires avec lesquelles on conçoit de nouvelles architectures cristallines. Ainsi la grande famille des silicates (70% du manteau terrestre) est composée de silicates, un atome central de silicium entouré de quatre atomes d’oxygène, le tétraèdre SiO4.

 

Au XIXe siècle, la course au cristal s’accélère : si Frémy obtient des rubis, Hautefeuille de l’émeraude, Verneuil de grands rubis, la quête ne se limite pas à la production de pierres précieuses ou à la recherche. Les scientifiques découvrent des cristaux aux propriétés originales et utiles. Ces cinquante dernières années, la fabrication de cristaux s’est considérablement développée pour se mettre au service de la technologie : semiconducteurs (électronique, photovoltaïque), optique (lasers, diodes électroluminescentes), horlogerie, joaillerie, usinage.

 

Le cas du diamant, symbole de pureté et d'éternité

« Et si le diamant était, pour le cristallographe moderne, le pendant de la pierre philosophale pour les alchimistes ? » Le diamant est du carbone plus dense que le graphite, étant donné leurs différences de structures cristallines. Les années 1950 ont vu l’apparition de presses permettant d’atteindre les pressions et les températures suffisantes nécessaires à la transformation du graphite en diamant (100 tonnes/cm², 2000° C environ). À la fin du XXe siècle, des méthodes de croissance plus douces se sont développées. Plutôt que de comprimer et chauffer du graphite, on part du gaz méthane CH4 que l’on excite (avec des micro-ondes par exemple). Les pressions sont maintenant de l’ordre d’un dixième de la pression atmosphérique ! Seule ombre au tableau : pour faire des bonnes synthèses, dites CVD (chemical vapor deposition), il faut de bons germes, et donc sacrifier de bons cristaux de diamants qui, naturels, ont beaucoup plus de valeur que les synthétiques !

 

Jean-Claude Boulliard est  chercheur à l’Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/IRD/MNHN) et dirige la collection de minéraux de l’IMPMC/UPMC. Michel Quarton est professeur UPMC au laboratoire de chimie de la matière condensée de Paris (CNRS/UPMC).



30/04/14