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.
