Comment fonctionnent les cristaux ?

Voir cours complet : https://ed.ted.com/lessons/how-do-crystals-work-graham-baird

Beaucoup de cristaux ont une forme qui leur est propre - comme la grappe de quartz pointu ou l'amas de cubes de galène. La structure atomique d'un cristal a une caractéristique bien définie : leur forme organisée et répétitive. Cette forme ne se limite pas qu'aux minéraux : le sable, la glace, les métaux et l'ADN possèdent aussi des structures cristallines. Mais pourquoi les cristaux ont-ils toujours la même forme ? Graham Baird se penche sur leurs propriétés uniques.

Cours par Graham Baird, réalisé par Franz Palomares.

Profondément sous les geysers et
les sources d'eau chaude

de la Caldera de Yellowstone

se trouve une chambre magmatique

générée par un point chaud
dans le manteau terrestre.

Alors que le magma se déplace
vers la surface de la Terre,

il se cristallise pour former des roches
ignées, jeunes et chaudes.

La chaleur de ces roches amène
l'eau souterraine à la surface.

Pendant que l'eau se refroidit,
les ions se précipitent en cristaux,

dont des cristaux de quartz,
du silicone et d'oxygène,

de feldspath, du potassium,
de l'aluminium, du silicone et d'oxygène,

de galène, du plomb et du sulfure.

Beaucoup de cristaux ont
leur propre forme.

Prenons cette grappe de quartz pointé,
ou cet amas de cubes de galène.

Pourquoi se forment-ils toujours
de la même façon ?

Une partie de la réponse
réside dans leurs atomes.

Tous les atomes sont structurés
de manière organisée et répétitive.

Cette structure est la caractéristique
essentielle d'un cristal,

et ne se limite pas qu'aux minéraux -

sable, glace, sucre, chocolat,
céramique, métaux, ADN,

et même quelques liquides
possèdent des structures cristallines.

Chaque arrangement atomique
d'un matériau cristallin

se classe dans un des six
groupes suivants :

cubique, tétragonal, orthorhombique,
monoclinique, triclinique et hexagonal.

Avec des conditions appropriées,

les cristaux grandiront
en une forme géométrique

qui reflète l'arrangement
de leurs atomes.

La galène a une structure cubique
composée d'atomes de sulfure et de plomb.

Les atomes de plomb, plutôt volumineux,

sont arrangés en une grille
tridimensionnelle formée d'angles droits,

alors que les atomes de sulfures, plus
petits, se glissent entre eux.

En grandissant, ces emplacements
attirent les atomes de sulfure,

alors que le plomb essaiera
de combler ces espaces.

Finalement, ils complèteront
la maille d'atomes.

Ça signifie que la structure cristalline
aux angles droits de la galène

se voit dans la forme finale du cristal.

Le quartz, lui, à une structure
cristalline hexagonale.

Sur un plan, ses atomes
sont arrangés en hexagones.

En trois dimensions, ces hexagones
sont composés de pyramides emboîtées

constituées d'un atome de silicone
et quatre atomes d'oxygène.

La forme caractéristique
d'un cristal de quartz

est donc une colonne à six faces
à bouts pointus.

Suivant les conditions environnementales,

beaucoup de cristaux peuvent avoir
de multiples formes géométriques.

Par exemple, les diamants, qui se forment
en profondeur dans le manteau terrestre,

ont une structure cristalline cubique et
peuvent grandir en cubes ou en octaèdres.

La forme que les diamants prennent

dépend des conditions où ils se trouvent,

dont la pression, la température
et l'environnement chimique.

Alors qu'on ne peut directement
observer ces conditions dans le manteau,

des expériences en laboratoire ont prouvé

que les diamants ont tendance à grandir
en cubes à basse température

et en octaèdres à haute température.

Des quantités limitées d'eau, de silicone,
de germanium ou de magnésium

pourraient aussi influencer
la forme d'un diamant.

Les diamants n'ont pas naturellement
la forme qu'on peut trouver en bijouterie-

ces diamants ont été polis pour
arborer brillance et clarté.

Les conditions environnementales
peuvent aussi influencer

la formation de cristaux.

Le verre est fait de sable de quartz fondu

mais n'est pas cristallin.

C'est parce qu'il refroidit
relativement vite,

et les atomes n'ont pas le temps
de s'arranger entre eux

pour former la structure ordonnée
d'un cristal de quartz.

L'arrangement aléatoire
des atomes dans le verre fondu

est bloqué au moment du refroidissement.

Beaucoup de cristaux ne forment pas
de formes géométriques

car ils grandissent dans la promiscuité.

Les pierres comme le granite
sont pleines de cristaux,

mais aucun n'a une forme
qui lui est propre.

Lorsque le magma
refroidit et se solidifie,

beaucoup de minéraux se cristallisent
en même temps et manquent d'espace.

Et certains cristaux, comme la turquoise,

grandissent de manière très aléatoire
dans des conditions adéquates,

même avec un espace suffisant.

Chaque structure atomique d'un cristal
a des propriétés uniques,

alors qu'elles n'ont aucune répercussion
sur les besoins émotionnels de l'homme,

elles ont des applications extraordinaires
en science des matériaux et en médecine.