Les Cristaux

Description scientifique

Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide dont le spectre de diffraction est essentiellement discret est un cristal. Sur la base d'une propriété structurelle essentielle, cette définition englobe les cristaux classiques mais aussi une variété récemment établie qu'on a appelée quasi-cristal. Les propriétés empiriques des cristaux s'expliquent par deux facteurs : leur composition atomique et l'arrangement spatial des atomes.

Les cristaux les plus communs sont la neige, le sucre, les sels, les silicates, les oxydes, les sulfures, les métaux et les pierres précieuses (gemmes). Ainsi, traditionnellement, le cristal est un solide polyédrique, plus ou moins brillant, à structure régulière et périodique, formée d'un empilement ordonné d'un grand nombre d'atomes, de molécules ou d'ions.

« Ordonné » signifie qu'un même motif est répété à l'identique selon un réseau régulier. La plus petite partie du réseau permettant de recomposer l'empilement est appelée une maille.

« Grand nombre » résulte des grandes dimensions du cristal (quelques micromètres à plusieurs millimètres) en comparaison avec la taille d'une maille : typiquement quelques dixièmes de nanomètres.

On appelle phénocristal un cristal de taille exceptionnelle, mais la plupart des cristaux qu'on observe sont composés de plusieurs cristaux accolés (ou cristallites). Dans le premier cas on parle de « monocristal » et dans le second de « polycristal ». Un monocristal dont l'une des dimensions est inférieure à 100 nm est une nanoparticule qu'on appelle aussi nanocristal. Si cette dimension est réduite au minimum, c'est-à-dire à une seule couche d'atomes, on observe un cristal monoplan, tel le graphène.

Un cristal idéal ne comporte pas de défauts cristallins, mais les cristaux réels sont loin de cette perfection. Au-delà d'une certaine concentration des défauts, le concept de structure cristalline cesse d'être utile et l'on considère que c'est un matériau amorphe tel que le verre. L'état amorphe s'apparente fortement à l'état liquide mais il existe aussi des cristaux liquides.

L'histoire

L'observation des cristaux est loin d'être récente. Déjà les Égyptiens connaissaient la turquoise et les gemmes (diamant, saphir, émeraude, rubis) étaient très appréciés au temps de l'antiquité. En 64 avant J.-C., Strabo invente le mot Krystallos pour désigner le quartz. Il est évident que les cristaux ont toujours fasciné tant par leur aspect translucide et coloré que par leur forme facettée. Ces deux aspects sont intimement liés aux propriétés physiques propres aux cristaux et au fait qu'ils soient ordonnés. Cependant cet ordre est resté fort longtemps incompris. L'histoire de la cristallographie s'étale principalement sur deux siècles (XIX^e et XX^e siècles).

À partir de la fin du XVIII^e siècle, l'approche que l'on va avoir du monde des cristaux va être d'ordre purement géométrique, inspirée en cela par l'extrême rigidité du monde minéral. Domaine réservé tout d'abord aux naturalistes, la cristallographie va prendre son envol en France essentiellement au cours des XIX^e et XX^e siècles et sera marquée principalement par trois figures : Jean-Baptiste Romé de l'Isle, René Just Haüy et Auguste Bravais.

La cristalitation

EXPLIQUATIONS DE BASE

Comme tous les corps simples et combinaisons chimiques, les minéraux peuvent se trouver sous les trois états: gazeux (dans les fumerolles), liquides (dans les magmas et les solutions hydrothermales) et solides.
Lorsqu'ils se solidifient, ils le font très souvent sous la forme cristalline. Certains comme l'agathe se présentent sous l'état solide "amorphe", mais ils peuvent aussi se transformer en cristaux au bout d'un temps plus ou moins long. L'état cristallin est donc la forme stable des minéraux solides.
Les cristaux se forment soit par refroidissement des minéraux en fusion, ou magmas, minéraux à l'état gazeux ou fumerolles (minéraux formés à hautes températures); soit à partir de solutions hydrothermales (minéraux de basses températures).

LES FORMES CRISTALINES

Ci dessous quelques formes fermées simples du système cubique.

Voici sept formes de prismes constituent sept systèmes cristallins prismiques.

Voici tout les autres types de formes cristalines :

Groupe Phosgenite

Groupe Tobernite

Groupe Zircon

Groupe Coridon

Groupe quartz

Groupe calcite

Groupe polyedres

LA CROISSANCE DES CRISTAUX

La croissance des cristaux commence quand, après formation d'un minuscule cristal, celui-ci soustrait à son environnement de plus en plus de la substance dont il est composé. Parfois, en l'absence de ce premier cristal minuscule, ou amorçe, la cristallisation ne se produit pas et la solution devient sursaturée.
Quand un nouveau composé chimique d'origine organique est préparé, il est parfois difficile de fabriquer le premier cristal, à moins qu'on ne trouve une substance isomorphe. Certaines substances ont une forte tendance à former des amorces. Si une solution d'une telle substance se refroidit lentement, quelques amorces formeront de gros cristaux, mais si elle se refroidit rapidement, de nombreuses amorces se formeront et deviendront des cristaux minuscules. Le sel de table, purifié en usine par recristallisation, est composé d'un grand nombre de cristaux cubiques parfaits, qui sont difficilement visibles à l'oeil nu. Le sel gemme, formé par des processus géologiques lents, contient des cristaux énormes de la même forme cubique.

Illustrations

LES CRISTAUX TAILLÈS (25)