Sciences · Terre et climat
Les cristaux
Un cristal est un solide dont les atomes, ions ou molécules sont ordonnés selon un motif qui se répète régulièrement dans les trois directions de l’espace. Le sel, le quartz, la neige et la plupart des métaux sont cristallins.
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Les cristaux ne sont pas seulement les belles pointes de quartz des vitrines de minéralogie. Un grain de sel de cuisine, un flocon de neige, une barre de fer ou une puce électronique en silicium sont des cristaux. Ce qui les définit n’est pas leur beauté, mais l'ordre de leurs constituants à l’échelle atomique. Les minéraux qui composent les roches sont presque tous cristallisés (voir roches et minéraux).
Qu’est-ce qu’un cristal ?
L’opposé d’un cristal est un solide amorphe, où les atomes sont désordonnés, comme dans un liquide figé : c’est le cas du verre, de l’obsidienne ou de nombreux plastiques. Le même composé peut exister sous les deux formes : le quartz est de la silice cristallisée, le verre ordinaire est surtout de la silice amorphe.
L’ordre interne se voit souvent à l’extérieur : faces planes, arêtes droites, angles constants. Dès 1669, Nicolas Sténon observa que les angles entre les faces correspondantes des cristaux de quartz sont toujours les mêmes, quelle que soit leur taille.
Les sept systèmes cristallins
Selon la symétrie de leur maille, les cristaux se répartissent en sept systèmes.
| Système | Géométrie de la maille | Exemples |
|---|---|---|
| Cubique | Trois axes égaux à angle droit | Sel (halite), pyrite, diamant, or, grenat |
| Quadratique (tétragonal) | Deux axes égaux, un différent, à angle droit | Zircon, cassitérite |
| Orthorhombique | Trois axes inégaux à angle droit | Olivine, topaze, soufre |
| Monoclinique | Trois axes inégaux, un angle non droit | Gypse, micas, orthose |
| Triclinique | Trois axes inégaux, aucun angle droit | Plagioclases, disthane, turquoise |
| Hexagonal | Symétrie d’ordre 6 | Béryl (émeraude), graphite, glace |
| Rhomboédrique (trigonal) | Symétrie d’ordre 3 | Quartz, calcite, corindon (rubis, saphir) |
En 1848, Auguste Bravais montra qu’il n’existe que 14 réseaux possibles pour remplir l’espace par translation : ce sont les réseaux de Bravais. René Just Haüy, considéré comme le fondateur de la cristallographie, avait compris dès les années 1780, en brisant un cristal de calcite, que les cristaux sont formés de petites unités identiques empilées.
Comment se forment les cristaux ?
Un cristal naît quand des atomes passent d’un état désordonné (liquide, gaz, solution) à un état ordonné. Il faut d’abord un germe, petit amas ordonné, puis une croissance par ajout de couches successives.
| Mode de formation | Exemple naturel |
|---|---|
| Refroidissement d’un liquide fondu | Feldspaths et quartz du granite, glace |
| Évaporation d’une solution | Sel dans les marais salants, gypse |
| Précipitation à partir d’eaux chaudes | Filons de quartz, géodes, minerais métalliques |
| Passage direct du gaz au solide | Flocons de neige, soufre autour des fumerolles |
| Recristallisation à l’état solide | Grenats des roches métamorphiques |
La taille dépend surtout du temps disponible : un refroidissement lent donne de gros cristaux, un refroidissement rapide de petits cristaux, voire un verre (voir roches magmatiques).
Comment voit-on l’intérieur d’un cristal ?
En 1912, Max von Laue montre que les rayons X sont diffractés par les cristaux, car la distance entre atomes est du même ordre que leur longueur d’onde (voir spectre électromagnétique). William Henry et William Lawrence Bragg en tirent aussitôt une méthode pour déterminer la position des atomes. La cristallographie aux rayons X a permis de résoudre la structure de milliers de minéraux, de molécules biologiques et, en 1953, de l'ADN, grâce aux clichés de Rosalind Franklin.
Des cristaux aux propriétés utiles
- Piézoélectricité : un cristal de quartz comprimé produit une tension électrique, effet découvert par Pierre et Jacques Curie en 1880. Les oscillateurs à quartz cadencent les montres et les ordinateurs.
- Semi-conducteurs : les puces électroniques sont gravées dans des monocristaux de silicium d’une pureté extrême.
- Optique : la calcite dédouble les images (biréfringence) ; le saphir synthétique protège les verres de montres ; les cristaux servent dans les lasers.
- Dureté : le diamant, réseau de carbone très compact, est le minéral naturel le plus dur (voir carbone).
Questions fréquentes
Les cristaux de quartz ont-ils des pouvoirs ?
Aucune étude scientifique n’a montré d’effet des cristaux sur la santé ou l’humeur, au-delà de l’effet placebo. Leurs propriétés réelles sont physiques : piézoélectricité, dureté, propriétés optiques.
La glace est-elle un cristal ?
Oui. La glace ordinaire est un cristal du système hexagonal, ce qui explique la symétrie à six branches des flocons de neige (voir formation de la neige).
Qu’est-ce qu’un quasicristal ?
Un solide ordonné mais non périodique, dont le motif ne se répète jamais exactement. Découverts par Dan Shechtman en 1982, longtemps contestés, ils lui ont valu le prix Nobel de chimie en 2011.