Découvrir la cristallographie, par Aurélie Biancarelli-Lopes*

Avec vingt-trois lauréats du prix Nobel dans son domaine, la cristallographie s’est imposée comme l’un des outils les plus puissants de l’étude de la structure de la matière. Qu’est-ce qu’un cristal ? Qu’est-ce que la cristallographie ? À quoi sert-elle ?  

*Aurélie Biancarelli-Lopes est docteure en science des matériaux et nanosciences



Les cristaux sont partout, dans notre corps ou ailleurs dans la nature ; on les trouve aussi dans les nouveaux (et les anciens) matériaux de l’énergie ou dans les médicaments. Ils sont souvent à l’origine de la couleur, à travers les pigments, Leur étude peut également nous aider à mieux comprendre et préserver notre patrimoine culturel.

UNE HISTOIRE DE CRISTAUX
Les cristaux sont des arrangements réguliers et infinis de leurs constituants (atomes, ions ou molécules). Ainsi la neige, le sel de table quotidien, tout comme les métaux, sont des cristaux au même titre que les pierres précieuses. Les cristaux sont appréciés par les hommes depuis des millénaires: les Égyptiens connaissaient la turquoise, le diamant ou encore le saphir. En 1848, Auguste Bravais propose, dans une étude purement mathématique, une structure réticulaire de l’espace, avec 5 réseaux en deux dimensions et 14 en trois dimensions. Il faut attendre le début du XXe siècle pour que les moyens techniques permettent leurs études expérimentales avec, en particulier, la diffraction des rayons X. L’Allemand Max von Laue obtient le prix Nobel de physique en 1914 « pour sa découverte de la diffraction des rayons X par les cristaux ». C’est pour commémorer le centenaire de cette récompense que 2014 fut proclamée Année internationale de la cristallographie par les Nations unies. La découverte de von Laue ouvre un nouveau domaine de recherche avec la caractérisation des structures cristallines de la matière. Désormais, il a été possible d’identifier un grand nombre de structures cristallines : à réseau cubique, cubique face centrée (cuivre), cubique à base centrée (fer), hexagonale compacte (titane)…
Avec le temps, ce sont d’autres structures cristallines qui deviennent objets d’étude, comme les protéines. Un exemple bien connu est celui de la découverte en 1953 de la structure en double hélice de l’ADN, par Watson et Crick, grâce à des clichés de diffraction réalisés par Rosaline Franklin.

L’EXEMPLE DU CARBONE
La connaissance du réseau cristallin est aussi importante pour connaître et comprendre les propriétés de la matière. L’exemple du carbone est caractéristique. Il est connu sous de nombreuses formes cristallines naturelles: amorphe, graphite, diamant. Le carbone amorphe, qui est parmi les formes les plus courantes, ne présente pas de structure cristalline particulière et se trouve principalement sous forme de charbon ou de suie ; à l’opposé, le diamant, connu entre autres pour sa dureté, présente une structure avec des atomes ordonnés dans un réseau cubique.
D’autres formes de carbone ont également été synthétisées, tels les fullerènes (dont la base est C60, soit 60 atomes de carbone disposés selon une géométrie sphéroïde), le graphène, les nano tubes de carbone, qui présentent tous des propriétés particulières. Les nanotubes de carbone sont de longs tubes de graphène enroulés qui présentent de remarquables propriétés mécaniques, en alliant robustesse et légèreté, et électriques, en se comportant comme un semiconducteur.

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L’INTÉRÊT DE LA CRISTALLOGRAPHIE AUJOURD’HUI
La connaissance de la structure de la matière à l’échelle atomique est devenue un enjeu majeur, car elle est aujourd’hui en relation avec de nombreux domaines des sciences (physique, chimie, pharmaceutique, sciences des matériaux, métallurgie, sciences de la vie et de la Terre ou même archéologie).
Soleil à Saclay ou l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility, ou Installation européenne de rayonnement synchrotron) à Grenoble sont des modèles d’études de la matière à l’aide du rayonnement synchrotron. Vingt et un pays participent au financement de l’ESRF; cette source de rayons X est l’une des plus puissantes au monde pour observer et déchiffrer la matière. Elle ouvre des perspectives passionnantes dans l’exploration de la matière sous de nombreux angles (biomolécules, nanomatériaux, fossiles, objets d’art…).
Sans chercher à être exhaustif, on peut citer certains travaux menés:
– les recherches sur le ribosome, qui ouvrent des perspectives importantes, par exemple pour l’élaboration de nouvelles générations d’antibiotiques. Elles ont valu le prix Nobel de chimie en 2009 à ses auteurs, Ada Yonath et Venki Ramakrishnan ;
– l’étude de fossiles célèbres comme Toumaï ou Sediba. Les équipes de l’ESRF qui ont participé ont dévoilé des insectes cachés dans de l’ambre opaque ou encore identifié le plus ancien squelette de primate connu ;
– l’imagination d’un polymère qui aurait la résistance d’un fil d’acier tout en étant deux fois plus élastique que le Nylon. Ce polymère existe à l’état naturel : c’est le fil de soie produit par l’araignée. Comprendre comment les molécules s’organisent pour donner des propriétés mécaniques aussi extraordinaires permettra peut-être de produire des fibres de polymères synthétiques de qualité équivalente. Un enjeu pour le secteur de la médecine comme pour celui du bâtiment,
– la mise au service de l’industrie, qui rencontre des besoins croissants en connaissance des matériaux, de ces grands équipements: recherche et développement de nouveaux produits, contrôle qualité, étude de vieillissement, recyclage ou valorisation de fin de vie… 

 

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