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Paris, berceau de la cristallographie

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Paris, berceau de la cristallographie

Dans sa quête des richesses minérales au sein de la Terre, l’homme rencontre des pierres qui ont des formes géométriques presque parfaites. Elles paraissent être l’oeuvre d’un habile artisan. Il n’en est rien. Elles ont toutes été trouvées telles quelles dans des cavités, des géodes et des fissures tapies au fond des mines et des parois des carrières. On les appelait jadis « pierres angulaires ». Pendant des siècles elles ont intrigué les savants et philosophes. Étaient-elles modelées par les milieux qui les entouraient ? Contenaient-elles des substances douées d’une « vertu formatrice » ? Ou bien ne devaient-elles leurs formes géométriques qu’à elles-mêmes ? Parmi ces pierres, il en est une qui se présente souvent en prismes hexagonaux surmontés d’une pyramide à six faces : le cristal de roche. Son nom vient du grec « crystallos » qui signifie glace : en effet on pensait que ce minéral était une eau qui avait subi un froid si fort qu’elle était devenue une glace infusible.

 

D. R.

 

Le cristal de roche est aussi une matière qui était utilisée pour la fabrication d’objets luxueux tels les lustres. Fabriquer un verre qui aurait la même apparence a été un  terrible défi, relevé au XVIe siècle, à Murano (Venise, Italie). Au cristal de roche s’ajoute le verre « cristal ». En 1723, le suisse Moritz Cappeler (1685-1769) crée le mot cristallographie : les pierres angulaires deviennent des « cristaux ».

 

Peu de disciplines scientifiques, comme la cristallographie, ont autant bénéficié de l'apport des savants français en général et ceux du 5e arrondissement de Paris en particulier. À la fin du XVIIIe siècle, elle devient une science moderne à part entière grâce à l'énoncé des premières lois et des premières relations mathématiques découvertes par les minéralogistes français, et parisiens, Jean-Baptiste Romé de l’Isle (1736-1790), lié à l’École de Mines et René-Just Haüy (1743-1822) qui oeuvrait entre l’École des Mines, le Jardin des Plantes et la Faculté des Sciences.

 

Rapidement, plusieurs Écoles cristallographiques apparaissent. L'École allemande s'oriente pour de nombreuses décennies vers une vision géométrique de la cristallographie. L'École française, tout d’abord mise à mal voire moribonde, s'engage avec Gabriel Delafosse (1796-1870) dans une autre voie, bien spécifique, qui lui permet d'aborder des champs d'études peu ou pas abordés ailleurs. Il en résulte les découvertes majeures sur la chiralité des molécules (deux molécules de même espèce qui ont des formes, image l’une de l’autre dans un miroir) par Louis Pasteur (1822-1895) et la théorie du réseau cristallin par Auguste Bravais (1811-1863).

 

Ces découvertes théoriques ont rapidement des applications

La cristallisation est aussi une méthode de purification des corps chimiques. En 1814, Michel Chevreul (1786-1889) isole ainsi le cholestérol pur à partir de calculs biliaires humains par recristallisation dans l’alcool.

 

En 1817, Haüy publie son « Traité des caractères physiques des pierres précieuses ». Les gemmes étaient alors du domaine de compétence de lapidaires peu éduqués. Haüy montre que les gemmes sont aussi des objets de science. Grâce au collectionneur anglais Henry-Philip Hope (1774-1839), il bâtit la première collection scientifique de pierres précieuses de l’Histoire. Elle est encore conservée au Muséum national d’Histoire naturelle. L’exposition présente des avalanches de pierres précieuses de toutes les couleurs.

 

La naissance de la cristallographie signe aussi le début de la chasse aux cristaux de synthèse. Et quitte à en fabriquer autant qu’ils aient de la valeur. En 1837, Gaudin (1804-1880) commence la quête du rubis. Ensuite il semble que presque tous les chimistes français s’y intéressent. En 1877, Edmond Fremy (1814-1894) obtient de petits rubis de qualité. Son élève, Auguste Verneuil (1856-1913), met au point, plus tard, une méthode encore utilisée. Henri Moissan (1852-1907) s’attaque, sans succès, à la production du diamant : « un problème pour le chimiste moderne, le pendant de la pierre philosophale pour les alchimistes ». Les travaux historiques présentés dans cette exposition ont laissé un héritage encore présent dans les lieux où ils sont nés. Quelques aspects en sont présentés.

 

Les cristaux et le voyage au centre de la Terre

Par ses propriétés mécaniques inégalées, le diamant est utilisé dans la réalisation d’instruments de recherche dits « presses à enclumes diamant », capables d’atteindre des pressions qui petit à petit s’approchent de celles du centre de la Terre : des centaines de tonnes par centimètre carré mais sur des volumes très réduits, quelques fractions de millimètre cube ! Avec l’augmentation de la pression les atomes d’une phase (d’une espèce chimique) s’approchent de plus en plus les uns des autres et à des pressions précises, brusquement, de nouvelles structures cristallines plus denses apparaissent : ce sont des transitions de phase. Cette influence de la pression sur les minéraux est à la base de la structure en couches de notre planète. Un exemple de transition de phase est la différence d’organisation des mêmes atomes de carbone dans le graphite que l’on trouve à la surface de la Terre et dans le diamant qui se forme pour une transition de phase (où le graphite se transforme en diamant) à des profondeurs au-delà des 130 km. Un cristal, le diamant, permet la découverte d’autres cristaux !

 

De nouveaux cristaux… de nouveaux horizons

La moissanite est un carbure de silicium qui doit son nom à Henri Moissan qui l’a obtenue au cours de ses tentatives de synthèse du diamant. Cette phase, qui est aussi un sous-produit de l’industrie, a longtemps été négligée mais, grâce à sa dureté, la moissanite est utilisée comme abrasif. Depuis peu, on fabrique de grands cristaux de qualité. Bien cristallisée, certaines de ses propriétés se rapprochent de celles diamant, d’autres sont meilleures. Ce qui en fait le meilleur substitut du diamant dans l’industrie de la perforation, du polissage et de la découpe de matériaux très durs. Ses propriétés en font aussi un futur candidat plein de promesses dans certains dispositifs électroniques.

 

Les cristaux à Paris : du laboratoire à l’art, la suprême consécration

Les cristaux sont trop importants pour les laisser aux seuls cristallographes. De Roger Caillois à Nicolas Frize, de nombreux artistes se sont inspirés de cristaux dans leurs oeuvres.

 

Pour en savoir plus :

Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (IMPMC, CNRS/UPMC/MNHN/IRD)Nouvelle fenêtre

 

Une exposition Paris, berceau de la cristallographie a été organisée dans le cadre de l’Année internationale de la Cristallographie sous le haut patronage de Madame Geneviève Fioraso, Secrétaire d’État chargée de l’Enseignement supérieur et de la Recherche, et par le Muséum national d’Histoire naturelle (MNHN), l’Institut de Minéralogie, Physique des Matériaux et Cosmochimie (IMPMC), l’Université Pierre et Marie Curie (UPMC) et Mines ParisTech (du 14 mai au 18 août 2014).



16/06/14