AFC_cristal
Le microscope ionique à effet de champ (ou Field Ion Microscopie, FIM en anglais) a été développé par E.W. Müller en 1951, et repose sur l’émission par effet de champ d’un gaz « image » à la surface d’un échantillon. Un champ électrique intense est créé par effet de pointe à l’extrémité d’un matériau. L’échantillon est préparé sous la forme d’une aiguille très fine dont l’extrémité a un rayon de courbure nanométrique (10-100 nm). En appliquant un potentiel électrique de quelques kilovolts à la pointe, un champ de plusieurs milliards de volt par mètre est généré à la surface, suffisant pour transformer les atomes de gaz placés dans l’enceinte en ions (ionisation par effet de champ). Ces ions sont projetés vers un écran amplificateur, et forment une image agrandie de la surface de l’échantillon.
Cette technique donne une image de la position des atomes sur la surface sphérique de la pointe. Ceci permet d’accéder à l’ensemble des directions cristallographiques (les différents types d’empilement de plans atomiques) sur une seule image dans l’espace réel. En augmentant légèrement le potentiel appliqué, on peut délicatement éroder la matière et donc explorer un peu plus la profondeur. Cela permet alors de mettre à jour les défauts dans le matériau (atomes en plus ou en moins, fautes d’empilement, dislocations, …).
Le microscope ionique à effet de champ inventé dans les années cinquante par Erwin Müller fut le premier instrument capable de voir la surface d’un matériau à l’échelle atomique. La première image résolue à l’échelle de l’atome a ainsi été obtenue en 1956, bien avant l’invention du microscope à effet tunnel (STM) au début des années 80, qui permet de visualiser les atomes « un par un » et qui a valu à ses inventeurs Rohrer et Binnig d’obtenir le prix Nobel de physique en 1986.
Un cristal n’est pas un minéral. Certains minéraux sont cristallisés, d’autres non. Essayons d’y voir clair ! Un minéral est une substance inorganique, à quelques exceptions près (oxalate, citrate), définie par sa composition chimique et l'agencement de ses atomes selon une périodicité et une symétrie précises. Un minéral doit nécessairement exister dans la nature, même s'il est possible d'en synthétiser artificiellement.
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Le diamant est un minéral composé de carbone, qui cristallise dans le système cristallin cubique. (sources : Wikipedia, RKBot à droite et YassineMrabet à gauche)
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La grotte de Naïca est l'une des plus belles merveilles souterraines au monde.
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La dimension des cristaux peut-être très variable; allant de quelques nanomètres à plusieurs mètres, comme les cristaux de gypse de la mine de Naïca (dans l'État du Chihuahua au Mexique).
Lorsque les atomes ne sont pas ordonnés à moyenne et longue distance, la matière est dite amorphe. C’est le cas des verres, des élastomères et des liquides.
En résumé, la plupart des minéraux sont cristallisés (on pourrait dire : j'admire la forme cubique parfaite de ce cristal du minéral pyrite), mais certains minéraux sont amorphes comme les verres volcaniques (l'obsidienne par exemple) ou les minéraux métamictes (quartz, zircon dont la structure est désorganisée par la présence d'éléments radioactifs).
La cristallographie, quelques repères
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Dès l’antiquité |
Les 5 solides de Platon (philosophe grec, 428-348 av. J.-C.) auraient été imaginés grâce aux cristaux des mines du Laurion près d'Athènes... |
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XVIème siècle |
La découverte de grands gisements miniers et le développement de l’industrie minière mettent au jour des cristaux magnifiques que l’on retrouve dans les cabinets de curiosités de l’époque. |
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XVIIIème siècle |
Le savant Maurice-Antoine Capeller (1685-1769) introduit le terme "cristallographie" en 1723. L'abbé René-Just Haüy définit en 1781 "l’espèce minéralogique comme une collection de corps dont les molécules intégrantes sont semblables par leurs formes et composés des mêmes principes unis entre eux dans le même rapport" et Jean-Baptiste Rome de L’Isle énonce la Loi de constance des angles (1783) "il est une chose qui ne varie point, et qui reste constamment la même dans chaque espèce ; c'est l'angle d'incidence ou l’inclinaison respective des faces entre elles". |
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XIXème siècle |
Auguste Bravais (1811-1863) formalise l'intuition de Haüy. Un cristal est constitué par la répétition, par translation, dans trois directions de base, d'un motif élémentaire. Des mathématiciens français, allemands et russes décrivent les cristaux grâce à la théorie des groupes, basée sur l'analyse de leurs symétries. |
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1912 |
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Le physicien allemand Max von Laue (1879-1960) découvre que les rayons X sont diffractés par les cristaux. Il reçoit à ce titre le prix Nobel de physique en 1914 “pour sa découverte de la diffraction des rayons X par les cristaux”. |
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1913 |
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Le physicien et chimiste britannique William Henry Bragg (1862-1942) et son fils William Lawrence Bragg (1890-1971) reçoivent le prix Nobel de physique en 1915 “pour leurs services dans l’analyse de la structure cristalline par le moyen des rayons X”. Ils ont ainsi en 1913 publié la structure notamment du diamant et du chlorure de sodium. William Lawrence Bragg établit également une relation (la “loi de Bragg") qui, à partir d’un diagramme de diffraction de rayons X, permet de connaître les distances entre plans atomiques à l’intérieur d’un cristal. |
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1916 |
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En 1916, Peter Debye et Paul Scherrer réalisent la première expérience de diffraction des rayons X sur un échantillon polycristallin. Cette expérience ouvre la porte à l’usage de la diffraction des rayons X comme outil de caractérisation des matériaux qui sont souvent polycristallins. |
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1937 |
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Le physicien américain Clinton Davisson (1881-1958) et le physicien britannique George Paget Thomson (1892-1975) reçoivent le prix Nobel de physique “pour la diffraction des électrons par les cristaux". |
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1938 |
Sykes et Jones mesurent par diffusion des rayons X les fautes d’empilements dans les cristaux, c’est la première mesure expérimentale d’un écart à l’ordre parfait. |
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1953 |
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A partir d’un cliché de diffraction obtenu par la biologiste britannique Rosalind Franklin (1920-1958) sur des fibres d‘ADN, le biologiste britannique Francis Crick (1916-2004) et le biochimiste américain James Watson (né en 1928) publient la structure en double hélice de l’ADN. Francis Crick, James Watson ainsi que le cristallographe britannique Maurice Wilkins (1916-2004) reçoivent le prix Nobel de physiologie et de médecine en 1962 “pour leurs découvertes concernant la structure moléculaire des acides nucléiques et leur fonction de transfert d’information dans la matière vivante”. |
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1953 |
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Toujours en 1953, le chimiste anglo-autrichien Max Perutz (1914- 2002) et le biochimiste britannique John Kendrew (1917-1997) découvrent la structure de l’hémoglobine. Les structures de l'ADN et de l’hémoglobine sont deux découvertes essentielles ayant utilisé la cristallographie et la diffraction par rayons X. Max Perutz et John Kendrew reçoivent le prix Nobel de chimie en 1962 “pour leurs études des structures de l’hémoglobine et des protéines globulaires”… |
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1964 |
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Dorothy Crowfoot Hodgkin (1910-1994) reçoit le prix Nobel de Chimie "pour sa détermination par des techniques de rayons X des structures d'importantes substances biochimiques", dont la vitamine B12. |
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1982 |
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Aaron Klug reçoit en 1982 le prix Nobel de Chimie "pour le développement de la cristallographie par microscopie électronique et pour l'élucidation de la structure de complexes protéine-acide nucléique d'importance biologique". |
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1985 |
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Herbert Aaron Hauptman (1917-2011) et Jerome Karle (1918-2013) obtiennent le Prix Nobel de Chimie en 1985 pour "leurs réalisations remarquables dans la mise au point de méthodes directes de détermination des structures cristallines". |
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…qui s’ajoutent aux nombreux autres prix Nobel où la cristallographie a joué un rôle clef : |
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1986 |
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Ernst Ruska d’une part et Gerd Binnig et Heinrich Rohrer d’autre part reçoivent en 1986 le prix Nobel de Physique pour, respectivement, « un travail fondateur sur l’optique pour les électrons et la conception du premier microscope électronique » et « la conception du premier microscope à effet tunnel ». |
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1988 |
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Le prix Nobel de Chimie est attribué conjointement à Johann Deisenhofer, Robert Huber et Hartmut Michel pour "la détermination de la structure tri-dimensionnelle d'un centre de réaction photo-synthétique". |
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1994 |
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Le prix Nobel de physique est attribué à Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull pour le développement respectivement de la spectroscopie neutronique et de la technique de diffraction neutronique. Leurs travaux ont permis des percées importantes dans le domaine de la cristallographie neutronique. |
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1997 |
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En 1997, Paul D. Boyer, John E. Walker et Jens C. Skou reçoivent le prix Nobel de Chimie pour la découverte de la structure atomique du domaine catalytique de l'ATP synthase, l'enzyme qui synthétise la molécule d'ATP, indispensable à la vie et au développement des cellules vivantes. |
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2009 |
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Les biologistes américains Venkatraman Ramakrishnan (né en 1952) et Thomas Steitz (né en 1940) ainsi que la biologiste israélienne Ada Yonath (née en 1939) reçoivent le prix Nobel de chimie en 2009 “pour leurs études de la structure et de la fonction du ribosome”. |
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2010 |
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Le prix Nobel de physique récompense Andre Geim et Konstantin Novoselov pour leurs travaux sur le graphène, un matériau aux propriétés exceptionnelles, constitué d’une seule couche d’atomes de carbone. |
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2011 |
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Le scientifique israélien Dan Shechtman (né en 1941) reçoit le prix Nobel de chimie en 2011 “pour la découverte des quasicristaux”. |
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2012 |
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Les scientifiques américains Robert Lefkowitz et Brian Kobilka reçoivent le prix Nobel de chimie en 2012 pour leurs études des récepteurs couplés à la protéine G, tandem qu’ils ont étudié après cristallisation. |
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2013 |
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Le prix Nobel de Chimie 2013 est attribué à Martin Karplus, Michael Levitt et Arieh Warshel pour "le développement de modèles multi-échelles de systèmes chimiques complexes". |
Célébrons la cristallographie : avec un film d'animation !
Joseph Fourier … ou la série favorite des scientifiques !
Ces scientifiques n'auraient pu faire leurs découvertes sans l'appui d'outils mathématiques développés notamment par Joseph Fourier.
Joseph Fourier (Auxerre 1768, Paris 1830) est sans doute le physicien le plus connu des cristallographes. Normalien, révolutionnaire, professeur à l’école Polytechnique, il participe à la campagne d’Égypte de Bonaparte puis revient en France en tant que préfet de l’Isère. C’est donc à Grenoble qu’il écrira son œuvre majeure : « Théorie analytique de la chaleur », dans laquelle il invente ce que nous appelons maintenant le développement en série de Fourier. Cherchant à comprendre le profil de température dans un barreau chauffé par une de ses extrémités, il écrit la fonction température comme une somme de fonctions trigonométriques (des cosinus…) dont les coefficients se calculent par son équation de la chaleur.
Découvreur de génie, Fourier ne démontrera pas rigoureusement les conditions d’existences de ses séries. Il faudra pour cela attendre Dirichlet (1829) puis Riemann (1867), qui donnera le nom de Fourier à ces sommes.
C’est dans le domaine des fonctions périodiques que la découverte des séries de Fourier est la plus féconde ; et quoi de plus périodique qu’un cristal parfait ! Ainsi, après avoir interprété la diffraction des rayons X par la fameuse formule portant son nom, W.L. Bragg comprit en 1915 que l’intensité des faisceaux de rayons X diffractés par un cristal correspondent au carré des coefficients du développement en série de Fourier de la densité électronique du cristal diffractant. C’est grâce à cette propriété remarquable que les structures des cristaux de plus en plus complexes sont résolues quotidiennement dans nos laboratoires, et que les cristallographes travaillent désormais dans « l’espace de Fourier » ou « espace réciproque ». Pour avoir inventé un outil mathématique afin de résoudre un problème de physique, Joseph Fourier est de nos jours considéré comme le créateur de la physique mathématique, dont l’influence a touché toutes les branches de la physique.
En Cristallographie, pour sonder la matière, on peut utiliser des rayons X, des neutrons et des électrons : ils ont un comportement ondulatoire : les particules sont des ondes et inversement. Elles sont diffractés...
X ? Vous avez dit X ? Quel est cet inconnu ?
Wilhelm Conrad Roentgen tenant dans sa main un tube cathodique qui, en fonctionnement, émet des rayons X.
28 décembre 1895, un tournant dans l'histoire des sciences
Le 28 décembre 1895, en Allemagne, Wilhelm Conrad Röntgen annonce qu'il vient de découvrir des rayons ... invisibles. Rayonnement électromagnétique comme la lumière visible ou particules comme les électrons ? Röntgen penche pour la première hypothèse mais ne parvient pas à la confirmer expérimentalement : l'inefficacité des lentilles pour focaliser ces rayons et des miroirs pour les réfléchir ne lui permet pas de lever le doute. De guerre lasse, il les baptise "Rayons X".
Le mystère qui entoure ces rayons s'accompagne de magie puisqu'ils permettent de voir à l'intérieur des objets, comme les sacs ou les valises... et quand on interpose la main, ce sont les os qui apparaissent !
Partout dans le monde, la médecine s'empare sans tarder de cette découverte qui peut la faire considérablement progresser. En France, trois semaines après la découverte de Röntgen, les docteurs Barthélémy et Oudin réalisent les premières radiographies médicales françaises. Henri Poincaré les présente à l'Académie des Sciences le 20 janvier 1896. Lors de cette séance, il suggère à Henri Becquerel d'explorer les relations entre phosphorescence et émission de rayons X. Un mois plus tard, le 26 février 1896, travaillant sur la fluorescence des sels d'uranium, Becquerel découvre fortuitement la radioactivité… et c'est un autre (très grand) chapitre qui s'ouvre avec Pierre et Marie Curie, Ernest Rutherford et bien d'autres. Cette étonnante accélération de l'histoire scientifique a une explication : Röntgen n'a déposé aucun brevet. Il préférait sans doute permettre aux scientifiques, quelle que soit leur nationalité, de trouver des applications plutôt que d'assurer sa propre sécurité financière…
Une utilisation sans précaution
Les utilisateurs de rayons X manipulent leur appareil sans précaution: ils ignorent, à l'époque, le danger des rayons X. Prenons les pionniers de la radiologie. D'un examen à l'autre, ils cumulent des expositions d'autant plus importantes que leurs patients doivent garder la pose de longues minutes. Beaucoup de radiologues sont victimes de radiodermites, qui conduisent à des amputations et même à la mort.
Après leur découverte, les rayons X ont fait l’objet de nombreuses applications futiles,
toutes interdites aujourd’hui.
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Les rayons X vont être utilisés pendant 16 ans sans qu'on en connaisse la nature ! Dans de nombreux pays, de 1896 à 1912, des milliers de personnes vont utiliser les rayons X en ignorant tout d'eux. Et pas seulement les médecins. Comme aucune réglementation n'existe à cette époque, des photographes, des patrons de grands magasins, des forains, des magiciens s'équipent (aisément) du matériel nécessaire. Il suffit de disposer d'un générateur de haute tension qui envoie le courant dans un tube à vide. Côté réglementation, il faudra attendre 1928 (soit 32 ans) pour que d'éminents radiologues européens réunis à Stockholm décident de créer une "Commission Internationale de Protection contre les Rayons X et le Radium". |
Des rayons qui suscitent des multiples recherches
S'engage après la découverte de Röntgen un travail acharné pour comprendre la nature des rayons X. Certains scientifiques sont persuadés qu'il s'agit d'une onde. Les travaux de Röntgen montrent que ce rayonnement possède une énergie élevée. Entre 1912 et 1914, des avancées majeures sont réalisées : on comprend ce que sont les rayons X grâce aux cristaux et ce que sont les cristaux grâce aux rayons X !
Connaître les rayons X grâce aux cristaux… et réciproquement
Le physicien allemand Max von Laue persuadé du caractère ondulatoire des rayons X, imagine que ces rayons peuvent être diffractés par l’arrangement périodique interne des cristaux. En avril 1912, sur la suggestion de Laue, Walter Friedrich et Paul Knipping irradient avec des rayons X un cristal et observent quelques taches sur la plaque photographique placée derrière celui-ci. Laue interprète ces taches comme étant dues à des interférences : c’est la diffraction des rayons X par le réseau régulier périodique des atomes présents au sein du cristal. Laue obtient en 1914 le prix Nobel de physique pour cette découverte qui démontre que les rayons X sont des ondes, comme la lumière, mais avec une longueur d’onde mille fois plus petite (de l’ordre des distances entre atomes). Il est possible de faire l'inverse, c'est-à-dire de déterminer les distances entre les atomes, et leurs positions, grâce aux rayons X. C'est William Henry Bragg et son fils William Lawrence qui formalisent la méthode d'étude des cristaux par diffraction des rayons X. les Bragg père et fils obtiennent la prix Nobel de physique en 1915. La cristallographie moderne est née.
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Cherchez l'intrus
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Les rayons X dans le spectre électromagnétique
Dans le spectre électromagnétique, les rayons X se situent entre les ultraviolets et les rayons gamma. Ils vont de 10 nm à 0,01 nm sur l'échelle des longueurs d'onde, de 100 eV à 100 keV sur l'échelle des énergies. On distingue les rayons X mous et les rayons X durs (de plus faible longueur d'onde et donc associés à des photons de plus grande énergie), la frontière conventionnelle se situant aux alentours de 0,5 nm soit 3 keV.
Réponse à la question de Mr Cristallo :
L'intrus est la cryptographie.
La cryptographie est une discipline qui s'attache à protéger les messages (mots de passe, cryptage des textes, etc.). Toutes les autres disciplines ont en commun d'utiliser (non exclusivement) les rayons X. En médecine, la tomodensitométrie ou CT-scan (CT : computed tomography) est un terme très employé par les radiologues pour parler du scanner X.
Les neutrons
Découvert en 1932 par James Chadwick, qui reçut le Prix Nobel de physique en 1935 pour cette découverte, le neutron est l'une des particules élémentaires qui constituent le noyau atomique, d'une masse 1800 fois plus grande que celle d'un électron, sans charge électrique, dotée d'un moment magnétique.
Comme son nom l'indique, le neutron est neutre, ce qui lui confère un fort pouvoir de pénétration et permet l'utilisation d'environnements d'échantillon lourds.
Un neutron peut être décrit à la fois comme une particule et comme une onde.
Interaction des neutrons avec la matière
Le neutron interagit avec les noyaux des atomes :
- il peut « voir » aussi bien les atomes légers que les atomes lourds ;
- il peut distinguer les isotopes d'un même élément ; la substitution H/D est par exemple beaucoup utilisée, l'Hydrogène et son isotope le Deutérium diffusant les neutrons avec des intensités très différentes (indiquées par la taille relative des sphères dans le tableau ci-contre).
Le neutron possède un moment magnétique et peut être vu comme une petite boussole qui permet de sonder à l'échelle microscopique les matériaux magnétiques. L'analyse de la diffraction magnétique des neutrons par l'échantillon est une technique très puissante pour obtenir des informations sur l'organisation des moments magnétiques dans un matériau.
Les longueurs d'onde des neutrons thermiques sont du même ordre de grandeur que les distances interatomiques dans la matière condensée (~Å), ce qui permet de déterminer la position des atomes. D'autre part, les énergies des neutrons (~MeV), sont comparables aux excitations dans les solides et les liquides : la diffusion neutronique renseigne donc aussi sur la dynamique des atomes.
Au moment de la découverte du neutron en 1932, la cristallographie par diffraction des rayons X était déjà une science reconnue. La diffusion neutronique a connu un rapide essor à partir de la construction du premier réacteur nucléaire à Oak Ridge (1943) capable de fournir des faisceaux de neutrons suffisamment intenses pour étudier la matière condensée. C'est là que les premiers diagrammes de diffraction de neutrons sur poudre ont été enregistrés. Le prix Nobel de physique de 1994 récompensa Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull pour leurs contributions au développement des techniques de diffusion neutronique.
Les travaux de Bertram N. Brockhouse et Clifford G. Shull ont permis des percées importantes dans l'étude de la matière condensée autant pour leurs propriétés structurales (diffraction des neutrons) que pour leurs propriétés dynamiques (spectroscopie de diffusion des neutrons).
Le premier diagramme de diffraction neutronique, présenté par C. G. Shull, lors de la réception de son Prix Nobel, a été enregistré sur une poudre de NaCl par E. O. Wollan et R. B. Sawyer en 1946.
Les électrons
L’électron est une particule élémentaire qui fut découverte par Joseph John Thomson (1856-1940) en 1897. Il possède une charge négative et c’est l’un des composants de l'atome, avec le neutron et le proton.
Le principe de dualité onde-corpuscule de Louis de Broglie (1892-1987) implique que l’électron présente aussi un caractère ondulatoire, caractère qui permet d’expliquer la diffraction de cette particule par la matière, comme celle des rayons X...
La diffraction électronique
Dans un microscope électronique en transmission, il est possible d’observer l’image de la zone illuminée (l’image de l’objet grossie sous le microscope) ou la diffraction associée. C’est la diffraction électronique qui a permis de découvrir les quasicristaux et leurs symétries « interdites » !
Les cristallographes réalisent leurs expériences autour d’échantillons qui peuvent se présenter sous forme de poudre, de cristaux, de matériau amorphe, etc. Ils cherchent à déterminer l’organisation des atomes dans ces échantillons.
Les cristaux peuvent être étudiés avec des instruments spécifiques dans l'espace réel ou dans un autre espace, l'espace réciproque.
Vous avez dit "atome" ?
Les matériaux qui nous entourent qu’ils soient naturels ou artificiels ont des propriétés caractéristiques. Par exemple, certains matériaux sont conducteurs électriques et d’autres isolants, certains sont transparents et d’autres opaques. Pourquoi ? Et quel est le mécanisme de fonctionnement d’un antibiotique ? Etc... Pour pouvoir répondre à ces questions, il faut comprendre comment la matière est organisée et ce à l’échelle atomique. Mais un atome, qu'est-ce que c'est ? Quelle est sa taille ?
Faisons tout d’abord un "plongeon" dans la matière et essayons d’appréhender différents ordres de grandeur. Pour mesurer les petits objets, on utilise le millimètre, le micromètre qui est 1000 fois plus petit que le millimètre et le nanomètre qui est 1000 fois plus petit que le micromètre. L’application suivante permet de voir différents objets et leur taille http://www.htwins.net/scale2/lang.html.Le nanomètre est vraiment très très petit ! Un cheveu a un diamètre de 50 micromètres et un virus a un diamètre de 100 nanomètres.
Gauche : image en microscopie électronique du virus de la forêt de Semliki. La barre noire mesure 70 nm. Droite : structure du virus. Crédit : Catherine Venien-Bryan, IMPMC.
Regardez les films sur http://www.universcience.tv/categorie-relief-de-l-invisible-609.html. Regardez en particulier ceux sur l‘aluminium, le laiton, la dent et la céramique. Lorsqu’avec un microscope électronique on grossit de plus en plus ce qu’on observe, on arrive à voir un arrangement régulier d’atomes espacés de 0.2 nm (nanomètre) soit d’une distance 20 millions de fois plus petite qu’un mm ! Chaque petit point est un atome.
L’atome, dont l’existence a été démontrée bien avant qu’on puisse le voir directement , est la brique essentielle qui permet de comprendre les propriétés de la matière. Il est constitué d’un "noyau" chargé positivement et d’un nuage électronique qui l’entoure. L’animation sur le site suivant explique comment est constitué un atome : http://www.toutestquantique.fr/#atome
Qu'est-ce qu'un cristal ?
L e cristal, c'est la répétition périodique d'un motif, formé d'atomes.
- Découvrez les cristaux... dans la BD de Jean-Yves Duhoo pour le journal Spirou, avec le CNRS !
- Un cristal est un solide dont la structure atomique est ordonnée et périodique dans les trois directions de l'espace. Ces propriétés de symétrie conduisent, en conditions idéales, au développement de formes polyédriques limitées par des faces planes.
Une définition qui a évolué au fil du temps.
Objet d’émerveillement à l’antiquité, il est une pierre angulaire bien étrange, limitée par des faces planes, il est comme fabriqué.
- Au 18e siècle, le terme cristal s’impose aux savants pour désigner toutes les pierres angulaires limitées par des faces.
- Au début du 19e siècle, le cristal désigne tous les matériaux solides homogènes limités par des faces.
- Au 20e et 21e siècles, le cristal désigne tous les matériaux ordonnés à l’échelle atomique.
Au 20e siècle, il devient un objet de science et de connaissance de la Matière.
De nos jours il est un objet contemporain aux multiples applications.
Périodicité ou symétrie ?
On a longtemps défini le cristal comme un "solide dont les atomes se répartissent de façon périodique dans l'espace" (on peut les décrire comme un motif répété sur une grille régulière). Cette définition a été corrigée en 1992 après la découverte des quasi-cristaux, structure non périodique mais présentant un spectre de diffraction "comme les cristaux".
La figure ci-contre est un "pavage de Penrose", quasi-cristal non périodique qui présente une symétrie d'ordre 5 (invariance par rotation d'angle 2?/5 radian, soit 72 degrés).
Il y a les cristaux et les autres...
- Quelle est la différence entre un cristal et un minéral ?
- Quelle est la différence entre un cristal et le cristal ?
- Cristal de sang
- Les larmes du ciel
- Le cristal et le haricot sauteur
Le cristal : un solide à facettes
Certains instruments particuliers permettent de faire de la cristallographie, d’explorer la matière, dans notre espace, l’espace réel donc. C’est le cas du microscope ionique à effet de champ, du microscope à effet tunnel ou encore du microscope électronique à transmission. On sonde la position des atomes dans l’espace réel avec des électrons, des ions ou des atomes.
Vous pouvez aussi voir, avec un micrscope électronique, des nanotubes de carbone: le film.
Autres expériences et intruments
Four à image et son électronique de pilotage (à droite). Ce four est utilisé pour l'élaboration de monocristaux de composés intermétalliques ou d'oxydes, par la méthode de la zone fondue. Les cristaux seront ensuite utilisés pour des expériences de physique du solide : déterminations structurales, mesures de transport, mesures magnétiques, diffraction de neutron ou de rayon X sur synchrotron... (©CNRS Photothèque / Cyril FRESILLON / UPR2940 - Institut Néel - Grenoble)
Mesure de l’alignement de nanotubes de carbone dans
une membrane par diffusion X (©Laboratoire de Physique
des Solides, Orsay)
Expérience de diffusion des rayons X aux petits angles
© Laboratoire de Physique des Solides, Orsay
Diffraction X au synchrotron SOLEIL
Diffractomètre pour poudres – © VMoncorgé-synchrotron SOLEIL
Diffraction X au synchrotron SOLEIL
Goniomètre 8 cercles – © VMoncorgé-synchrotron SOLEIL
Diffraction X au synchrotron SOLEIL
Montage d’expériences - © synchrotron SOLEIL
Goniomètre de la ligne de diffraction D2AM à l’ESRF
Microdiffraction à l’ESRF
Diffractomètre de poudres avec multi-analyseur
et robot passeur d'échantillons pour des analyses
hautes résolution en série (ESRF)
Diffractomètre (LLB)
Ce que la cristallographie peut faire pour nous...
Des applications dans notre vie quotidienne.
La cristallographie est irremplaçable pour l’étude de toutes sortes de matériaux, qu’ils soient idéalement organisés (cristaux parfaits), partiellement organisés (polymères), cristallisés artificiellement (cristaux de protéines) ou peu organisés (liquides, verres). Elle est aussi à la base de l’élaboration de la plupart des nouveaux matériaux, des cellules photovoltaïques aux composites de l’automobile ou de l’aéronautique.
Ainsi, de la chimie aux sciences de l’environnement, de la physique à la médecine, de la microélectronique aux biotechnologies, la cristallographie est un vecteur d’innovation essentiel.
D’innombrables perspectives
- Mettre au point de nouveaux matériaux magnétiques pour le stockage des données informatiques
- Développer de nouveaux processus de stockage de l’énergie (batteries, stockage solide d’hydrogène,…)
- Analyser des matériaux biologiques aux propriétés remarquables (fil de toile d’araignée, piquants d’oursin, bois...) pour les reproduire artificiellement
- Etudier les matériaux à l’intérieur de notre planète pour mieux comprendre les phénomènes volcaniques et les tremblements de terre
- Développer de nouveaux traitements pour lutter contre les maladies cardiovasculaires, les cancers ou la maladie d’Alzheimer...
- Trouver des vaccins plus efficaces pour lutter contre les virus
- Ausculter des œuvres d’Art
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Que font les rayons X à la traversée d'une boule de cristal ?
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Il n’y pas de cristaux dans la vaisselle, les bijoux ou les sculptures en cristal. Le terme est trompeur mais vient du fait que ce verre "cristal" possède, du fait d'un apport important de plomb dans sa composition, une plus grande densité, un indice de réfraction supérieur et donc un plus grand éclat que les autres verres.
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A gauche un cristal de quartz : l'améthyste (source Didier Descouens, Wikipedia). A droite, un "cristal", un verre riche en plomb (source Pismire, Wikipedia) ; ce verre, matériau amorphe, n'est donc pas un cristal au sens physique du mot.
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Réponse à la question de Mr Cristallo :
3- Ils ne diffractent pas
Une boule de cristal est en verre ou en verre cristal (verre contenant du plomb), matériau amorphe. On n’observe pas de pics de diffraction fins comme avec les cristaux et quasi-cristaux.