cristal - géologie et géophysique.

cristal - géologie et géophysique. 1 PRÉSENTATION cristal, solide de matière homogène présentant une structure atomique ordonnée et définie, et une forme extérieure limitée par des surfaces lisses, planes, disposées symétriquement (faces). Un cristal se forme chaque fois qu'un solide se constitue progressivement à partir d'un fluide, que ce soit par congélation d'un liquide, par dépôt (ou précipitation) d'une substance dissoute ou par condensation directe d'un gaz. Les angles, entre faces correspondantes de deux cristaux de la même substance, sont toujours identiques, quelles que soient la taille ou les différences superficielles de forme de ces cristaux. La plupart des matériaux solides possèdent une disposition atomique ordonnée et sont de structure cristalline. Les solides qui n'ont pas de structure cristalline, comme le verre, sont dits amorphes. Dans leur structure, ils montrent une plus grande similitude avec les liquides qu'avec les solides : ce sont des liquides surrefroidis. 2 CONDITIONS DE FORMATION Les mêmes liquides qui se solidifient graduellement dans les profondeurs de la Terre pour former le granite sont parfois éjectés à la surface du globe sous forme de lave volcanique, et refroidissent rapidement, formant l'obsidienne, de texture vitreuse. Si le refroidissement est légèrement plus lent, il y a formation d'une roche appelée felsite, qui est cristalline, mais dont les cristaux sont trop petits pour être discernés à l'oeil nu. Une telle structure est dite cryptocristalline ou aphanitique. Un refroidissement encore plus lent entraînera la formation de structures porphyriques où certains cristaux sont assez gros pour être distingués à l'oeil nu. Ce type de roche, qui peut avoir la même composition que l'obsidienne, la felsite ou le granite, est appelé rhyolite. Le granite, la rhyolite et la felsite ne sont pas homogènes et ne peuvent donc pas être composés d'un seul cristal, mais ce sont des roches cristallines. Chacun des constituants minéraux qui composent ces roches est présent sous forme de cristaux de petite taille mais homogènes. Les faces des cristaux des premières substances à s'être solidifiées lors du refroidissement des roches fondues présentent une disposition normale (perpendiculaire). Les matières qui ont un point de fusion moins élevé, et qui se sont donc solidifiées plus tard, ont été obligées d'occuper les interstices restants, ce qui leur donne un aspect extérieur déformé. La même tendance qui impose la formation de cristaux homogènes à partir de liquides hétérogènes peut être utilisée pour purifier de nombreuses substances cristallines. Les chimistes utilisent fréquemment cette méthode, et, en particulier, pour les produits chimiques d'origine organique qui sont presque toujours purifiés par recristallisation. Dans certains groupes minéraux, les ions d'un élément peuvent se substituer aux ions d'un autre élément, laissant la structure du cristal inchangée, mais formant, en fait, une série de solutions solides. De tels groupes, dans lesquels on observe une gradation continue de composition chimique d'un terme à l'autre, forment une série de minéraux isomorphes. Par exemple, une des variétés de feldspath, appelée plagioclase, forme une série complète dont les termes sont l'albite (aluminosilicate entièrement sodique) et l'anorthite (aluminosilicate entièrement calcique). D'autres groupes minéraux constituent des séries isomorphes : ainsi l'apatite, la barite, la calcite et le spinelle. La croissance des cristaux nécessite la formation d'un minuscule cristal qui, pour s'agrandir, prélève, à son environnement, de manière continue, la substance dont il est composé. Parfois, en l'absence de ce premier cristal minuscule, ou amorce, la cristallisation ne se produit pas et la solution devient sursaturée, exactement de la même façon qu'un liquide qui reste liquide quand sa température descend en dessous du point de fusion est surrefroidi (voir congélation, point de). 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. La tendance à cristalliser décroît avec l'accroissement de la viscosité du liquide. Si une solution est fortement sursaturée, ou surrefroidie, elle devient très visqueuse, et la cristallisation devient presque impossible. Tout nouveau refroidissement, ou évaporation, du solvant produit tout d'abord un sirop, puis un verre. 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 (ou chlorure de sodium de formule NaCl), 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 (ou halite), formé par des processus géologiques lents, contient des cristaux énormes ayant cette même forme cubique. 3 CRISTALLOGRAPHIE On appelle cristallographie la science qui étudie la formation, la forme et les caractéristiques géométriques des cristaux. Quand les conditions sont favorables, chaque élément et chaque composé chimique tendent à cristalliser selon une forme définie et caractéristique. Ainsi, le sel tend à former des cristaux cubiques, mais le grenat, qui, occasionnellement, forme également des cubes, compose plus fréquemment des dodécaèdres (solides à 12 faces) ou des trisoctaèdres (solides à 24 faces). Malgré leur différence d'habitus (forme extérieure de la cristallisation), le sel et le grenat cristallisent toujours dans la même classe de symétrie et le même système cristallin. On distingue, en théorie, 32 classes de cristaux. Presque tous les minéraux communs sont répartis en douze classes, mais certaines classes n'ont jamais été observées. Ces 32 classes sont regroupées en sept systèmes cristallins, fondés sur la longueur et la disposition des axes des cristaux, lignes imaginaires passant par le centre du cristal, coupant les faces, et définissant les relations de symétrie du cristal. Les minéraux de chaque système partagent certains détails de symétrie et de forme cristalline, ainsi que de nombreuses propriétés optiques. Ces sept systèmes de cristallisation, décrits ci-dessous, sont très importants pour les minéralogistes et les gemmologues (spécialistes des pierres précieuses) qui y recourent pour la description de chaque minéral. 3.1 Cubique Ce système comprend des cristaux présentant trois axes, tous perpendiculaires entre eux et tous de même longueur. L'élément de base est un cube. 3.2 Quadratique Ce système comprend des cristaux présentant trois axes, tous perpendiculaires entre eux et dont deux sont de même longueur. L'élément de base est un prisme droit à base carrée. 3.3 Orthorhombique Ce système comprend des cristaux présentant trois axes, tous perpendiculaires entre eux et tous de longueur différente. L'élément de base est un parallélépipède rectangle. 3.4 Monoclinique Ce système comprend des cristaux présentant trois axes de longueur inégale, dont deux forment un angle différent de 90°, le troisième leur étant perpendiculaire. L'élément de base est un prisme oblique à base losange. 3.5 Triclinique Ce système comprend des cristaux présentant trois axes de longueur inégale et formant entre eux des angles différents de 90°. L'élément de base est un parallélépipède à base losange. 3.6 Hexagonal Ce système comprend des cristaux présentant quatre axes. Trois de ces axes, de même longueur, sont dans un même plan et font entre eux un angle de 120°. Le quatrième axe, perpendiculaire aux trois autres, est un axe d'ordre 6 (structure symétrique par rotation de 60°). L'élément de base est un prisme droit à base losange. 3.7 Rhomboédrique Ce système comprend quatre axes comme le système hexagonal, mais le quatrième axe est d'ordre 3 (structure symétrique par rotation de 120°). L'élément de base est un parallélépipède dont toutes les faces sont des losanges. Certains éléments et composés peuvent cristalliser dans deux systèmes différents créant des substances qui, bien qu'identiques dans leur composition chimique, sont différentes dans pratiquement toutes leurs propriétés physiques. Par exemple, le carbone cristallise dans le système cubique pour former le diamant et dans le système hexagonal pour former le graphite. Bien que le diamant appartienne au même système que le sel et le grenat, sa classe de symétrie est différente. Il cristallise sous forme de tétraèdre (4 faces) ou d'octaèdre (8 faces). Le sel et le grenat peuvent cristalliser sous forme d'octaèdres, mais pas de tétraèdres. 4 AUTRES PROPRIÉTÉS DES CRISTAUX À l'habitus d'un minéral sont associées de nombreuses autres propriétés fondées sur la structure cristalline. Par exemple, l'argentite, un minerai d'argent courant, cristallise dans la même classe que le grenat et le sel, mais se présente habituellement en masses cryptocristallines irrégulières. La fluorine (ou fluorite), un autre minéral courant, cristallise également dans la même classe et se développe habituellement en cubes. Quand on la fracture, la fluorine se clive en fragments octaédriques parfaits. Le sel se clive en fragments cubiques, mais le grenat ne présente pas de plan de clivage bien marqué. Certaines substances ont tendance à former des cristaux multiples, qui se développent les uns sur les autres. Les extrémités de certains cristaux, quand ils sont soumis à une pression, acquièrent des charges électriques ; d'autres développent des charges identiques sous l'effet de la chaleur. Ces phénomènes de piézo-électricité et pyroélectricité sont très développés dans le quartz. Pour cette raison, on utilise les cristaux de quartz dans les sonars et dans de nombreux types d'appareils radio. Les propriétés semi-conductrices des cristaux de germanium et de silicium sont mises à profit dans les transistors pour amplifier le courant électrique. Un autre appareil électronique, la cellule photoélectrique, utilise un cristal de sulfure de silicium ou de cadmium pour convertir les rayons du soleil en énergie électrique (voir solaire, énergie). On a beaucoup travaillé, ces dernières années, sur la fabrication de monocristaux à partir de ces corps de structure habituellement cryptocristalline. Par exemple, des cristaux métalliques de grandes dimensions peuvent être fabriqués selon divers procédés. La méthode la plus simple, celle du bain fondu, consiste à fondre la substance métallique dans un creuset conique, puis à retirer lentement le creuset hors du four, pointe du cône en avant. Si les conditions adéquates sont réunies, un germe se forme, à la pointe du cône, puis se développe jusqu'à emplir entièrement le récipient. De tels monocristaux diffèrent souvent, de façon marquée, des métaux sous leur forme habituelle. On produit maintenant, notamment grâce à la technique de l'épitaxie par jets moléculaires, des cristaux très purs aux caractéristiques spécifiques qui trouvent leur emploi dans l'élaboration des composants à semi-conducteurs et des circuits intégrés. Quand des rayons X traversent les atomes symétriquement orientés d'un cristal, ces atomes agissent comme un réseau de diffraction, infléchissant les rayons suivant un motif régulier. Les clichés photographiques de ces motifs permettent de déterminer de nombreuses propriétés du cristal. Deux techniques, en particulier, la production d'images au moyen des microscopes électroniques en transmission et les procédés à émission ionique de champ, révèlent la structure du réseau atomique cristallin. Un postulat de la cristallographie a longtemps affirmé qu'il n'existait aucune structure cristalline présentant une symétrie d'ordre 5, c'est-à-dire quintuple ou pentagonale, car une telle symétrie est incompatible avec la propriété d'invariance par translation requise pour former des cristaux. En 1984, toutefois, Danny Shechtman, Ilan Blech, Denis Gratias et John-Werner Cahn ont découvert un alliage d'aluminium et de manganèse qui semble contredire cette règle. La figure de diffraction de cet alliage présente la symétrie rotationnelle d'un icosaèdre, ou solide à 20 faces, avec 10 axes de symétrie rotationnelle d'ordre 3 et 6 autres d'ordre 5. Cette découverte montre qu'il existe une autre organisation de la matière solide, distincte des formes cristalline et vitreuse : les quasicristaux. Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Tous droits réservés.