Solide Cristallin

Introduction

Historique de la cristallographie

La cristallographie est la science des cristaux. Elle permet :

• La détermination, la classification et l’interprétation des structures géométriques des cristaux,

• L’étude de leurs propriétés physiques.

L’historique suivant permet de relater les étapes qui ont précédé la naissance de la cristallographie :

• 1619  - 1665 : Kepler et Hooke émiettèrent l’hypothèse sur l’ordre régulier des éléments sphériques de la matière constituant le cristal.

• 1669 : Sténon découvrit la 1ère loi fondamentale de la cristallographie dite loi de la constance des angles.

• 1711 – 1765 : Le savant russe Lomonossov énonça la théorie corpusculaire de l’arrangement de la matière et donna une explication à la loi précédente.

• 1774 : Abbé Haüy découvrit la deuxième loi fondamentale de la cristallographie dite loi des caractéristiques entières, selon laquelle il suggéra que l’aspect régulier des cristaux était la conséquence d’une organisation interne de leurs éléments.

• 1782 : Haüy proposa la notion de maille élémentaire occupée par des molécules.

• 1830 : Hessel formalisa les lois de symétrie et établit les 32 classes de symétrie. A cette même époque, Miller proposa l’indexation des plans réticulaires.

• 1850 : Bravais démontra l’existence des 14 réseaux de translation.

• 1867 : Naissance de la symétrie de position, d’axes hélicoïdaux et des plans de glissement par Schönke.

• 1890 : Fédorov et Schönflies proposèrent, séparément, les 230 groupes d’espace. A cette date tout était prêt pour utiliser les rayons X.

• 1895 : Découverte des rayons X par Röntgen (1^er prix Nobel de physique en 1901).

•  1912 : Naissance de la cristallographie avec l’expérience de Von Laue qui démontra l’existence des réseaux cristallins et de leur symétrie, et par suite, confirma la nature électromagnétique des Rayons X (Prix Nobel de physique en 1914).

• 1913 : Naissance de la radiocristallographie suite à la découverte de la loi de Bragg (Prix Nobel de physique en 1915).

Propriétés des corps cristallisés

Les éléments géométriques d’un cristal sont les faces planes, les arêtes rectilignes et les sommets :

• L’angle formé par deux faces déterminées est constant dans tous les cristaux d’une même espèce chimique.

• L’étude des propriétés physiques des cristaux montre qu'en général, les cristaux sont anisotropes. Par exemple, la dureté, la conductibilité thermique, le coefficient d’élasticité, etc… varient suivant la direction dans laquelle sont effectuées les mesures.

• Les cristaux se comportent de façon particulière par rapport à la lumière qui se propage à des vitesses différentes dans le milieu cristallin (phénomène de polarisation).

Les particularités observées dans les cristaux peuvent être expliquées si l’on admet que tout corps cristallisé a une structure ordonnée et périodique, qui dépend de la nature et de la forme des particules constituant le cristal.

Corps cristallisé et corps amorphe

Un cristal est caractérisé par un empilement régulier de particules (atome, ion ou molécule). Les propriétés macroscopiques d'un cristal sont souvent anisotropes. La manifestation la plus apparente de cette anisotropie est l'existence de faces naturelles et de plans de clivage à la différence de ce qui se produit dans un matériau amorphe tel que le verre où l'empilement des atomes est désordonné et se traduit statistiquement par des propriétés physiques parfaitement isotropes.

Une autre distinction entre un corps cristallisé et un corps amorphe apparaît en comparant leurs courbes de refroidissement qui présentent des différences très nettes :

• Décroissance continue de la courbe d’un corps amorphe.

• Décroissance discontinue de celle d’un corps cristallisé indiquant le début et la fin de la cristallisation (présence d’un palier).