Cristallographie : qu'est-ce que c'est ?

La cristallographie est le domaine scientifique qui s'intéresse à l'étude de la matièrematière cristalline au sens large. Science transversale par excellence, la cristallographie fait appel à de nombreuses notions de physiquephysique, de chimiechimie et de mathématiques. Ses concepts sont utilisés dans de nombreux domaines des sciences, notamment en sciences de la Terre pour l'étude des cristaux d'origine naturelle, mais également en sciences des matériaux pour le développement de nouveaux polymèrespolymères par exemple, en métallurgie, ou encore en biologie et en médecine.

De la forme macroscopique des cristaux à leur structure atomique, la cristallographie emploie de nombreux outils scientifiques pour étudier les cristaux et comprendre leurs propriétés physico-chimiques ainsi que leur formation.

Une structure atomique ordonnée

Il faut rappeler que la particularité des cristaux est qu'ils possèdent une structure atomique ordonnée. C'est ce qui les différencie de la matière dite amorpheamorphe (comme des verres), dont les atomesatomes sont agencés de manière irrégulière. Les cristaux se définissent ainsi comme une répétition, dans toutes les directions de l'espace, d'une maille élémentaire (groupement atomique de base). Chaque cristal possède ainsi un certain nombre de symétries et d'axes de rotation qui dépendent de l'architecture de cette maille élémentaire et vont permettre de le caractériser macroscopiquement.

Cristaux de pyrite appartenant au système cristallin cubique © Teravolt at English Wikipedia, via Wikimedia Commons

C'est d'ailleurs cet aspect très géométrique de certains cristaux qui va fasciner les premiers scientifiques de l'Antiquité et donner naissance à la cristallographie. Comment la nature est-elle capable de produire des éléments à la géométrie si parfaite (exemple du cube de pyrite). Très vite, on cherche donc une explication mathématique à la forme des cristaux. Rassemblés dans des « cabinets de curiosité » à partir de la Renaissance, ces petits bijoux façonnés par la nature sont alors scrutés sous tous les angles. La cristallographie n'existe alors pas en tant que telle et est intimement liée à la minéralogie qui se développe doucement.

Naissance de la cristallographie

Le terme de « cristallographie » n'apparait en effet qu'à la fin du 17ème siècle. L'étude de la géométrie des cristaux permet alors à ce moment là de poser les premières bases de cette science et l'on voit émerger l'idée, difficile à démontrer à l'époque, que ces propriétés géométriques sont liées à une organisation atomique spécifique. Ce nouveau concept, totalement révolutionnaire, est établi par l'abbé René Just Haüy. Celui-ci réalise en effet qu'en brisant un cristal de calcite, chaque éclat conserve les mêmes propriétés géométriques que le cristal d'origine. Par extrapolation, Haüy énonce alors le concept de « moléculesmolécules intégrantes », dont l'empilement à l'échelle microscopique explique la forme macroscopique d'un cristal. Sans le savoir, il vient en réalité de mettre au jour le principe de la maille élémentaire ! Naît alors doucement l'idée qu'il existe un lien intrinsèque entre la forme d'un cristal et la composition chimique de celui-ci. Durant le même temps, l'ensemble des formes cristallines observables sont finement analysées et catégorisées. Les angles entre les faces sont mesurés et on arrive à la conclusion que quel que soit le développement des faces d’un cristal, les angles restent toujours constants pour chaque espèceespèce cristalline.

Modèles cristallographiques en bois construits au début du XIX^ème siècle pour illustrer les axes de symétries qui caractérisent les différentes espèces cristallines © Eunostos, Wikimedia Commons, cc by-sa 4.0

C'est en se basant sur l'ensemble de ces résultats que Bravais définit en 1848 les 32 classes de symétrie cristallinessymétrie cristallines, regroupées en 7 systèmes cristallinssystèmes cristallins, que l'on connait aujourd'hui sous le nom de réseaux de Bravais.

Découverte des rayons X et essor de la cristallographie

Il faudra cependant attendre 1895 et la découverte des rayons Xrayons X par Röntgen (qui obtiendra d'ailleurs le premier prix Nobel de physique en 1901) pour que la cristallographie entame sa véritable révolution. En 1912, Max von Laue (également prix Nobel en 1914) démontre ainsi que les cristaux diffractent les rayons X, mettant en évidence la présence d'une structure cristalline et le lien qui existe entre structure des atomes et réseaux optiques. De l'échelle macroscopique, la cristallographie passe donc brusquement à l'échelle atomique !

Schéma de diffraction électronique d'un cristal d'oxyde de tantale. L'organisation des points lumineux révèle l'organisation atomique du réseaux cristallin © Sven.hovmoeller, Wikimedia Commons, cc by-sa 3.0

Quelques années plus tard, la première structure cristalline est décrite de façon mathématique, avec l'établissement de la loi de Bragg. L'évolution de la cristallographie va ensuite être intimement associée à l'évolution des techniques d'analyse et plus particulièrement des appareils de diffractionsdiffractions qui s'automatisent graduellement grâce au développement de l'informatique dans les années 1970. Ces avancées font entrer la cristallographie dans d'autres domaines des sciences. Alors essentiellement traitée par des physiciensphysiciens et mathématiciensmathématiciens, l'étude des cristaux s'immisce dans un cadre plus large, notamment en chimie et en biologie.

Découverte des quasi-cristaux et nouvelle révolution

En 1982, Schechtman (prix Nobel en 2011) provoque une nouvelle révolution avec la découverte de l’existence de quasi-cristaux, une nouveauté qui va venir bouleverser quelque peu certaines des notions les plus fondamentales de la cristallographie. Schechtman montre en effet que l'arrangement de certains solidessolides ne peut être décrit dans un espace à trois dimensions mais nécessite d'être considéré dans des espaces plus vastes, à quatre, cinq ou six dimensions !