Quasi-cristaux

Enigmes pour la physique et la métallurgie pendant de nombreuses années, les quasi-cristaux sont des objets qui présentent une structure de symétrie inhabituelle d’ordre 5, jamais trouvée en cristallographie. Formés au départ d’alliages d’aluminium et de manganèse (cf. Aluminium, Manganèse), ils sont à l’origine d’une intense activité dans les communautés des chimistes et physiciens du solide et des métallurgistes, récompensée trente ans après par le Prix Nobel de Chimie 2011.

L’aventure commence au printemps 1982 lorsqu’un chercheur israélien, Daniel Shechtman, en séjour au National Bureau of Standards (futur NIST) à Washington étudie le diagramme aluminium-manganèse et force au-delà des limites connues la solubilité du manganèse dans l’aluminium, en refroidissant rapidement l’alliage en fusion. Il obtient un alliage qui cristallise, mais qui, en diffraction électronique, révèle une symétrie icosaédrique d’ordre 5 incompatible avec toutes les règles de la cristallographie et contradictoire des groupes d’espace depuis les travaux de A.M. Schönflies.

Les diagrammes de diffraction montrent cependant sans conteste cette symétrie « interdite ». Après de nombreuses expériences renouvelées pour éliminer toute probabilité d’artéfact, et avec la supervision de John Cahn du NBS et l’aide d’un jeune français, Denis Gratias, alors en stage au NBS, il publie en 1984 les résultats dans un article resté célèbre de Physical Review Letters. Ils précisent que ce solide est un arrangement atomique non périodique, mais se répétant cependant à longue distance.
La même année, D. Levine et P. Steinhardt publient dans le même journal une description algébrique de cet ordre nouveau et proposent le nom de « quasicrystal » qui restera.

Toute la communauté des physiciens et des chimistes du solide se lance alors fébrilement avec les métallurgistes dans l’expérimentation de nouveaux alliages Al-Me, Al-Me-M… et plusieurs centaines d’alliages montrent après refroidissement rapide ou même lent cette symétrie d’ordre 5. En 1986, une équipe de Péchiney à Voreppe obtient même des monocristaux d’alliage Al-Li-Cu de structure icosaédrique présents dans une cavité tapissée de monocristaux comme dans une espèce de géode métallique. Le premier quasi-cristal « naturel » a récemment été découvert en 2009 dans des échantillons provenant des montagnes de Koriakie (Kamtchatka, Russie).

Or, l’image la plus simple d’un arrangement quasi- périodique était déjà connue par les travaux de Roger Penrose qui avait inventé le pavage d’un plan par deux types de losanges, dit figures de Penrose, qui s’arrangent régulièrement mais sans répéter de motifs.

Début 1985, Michel Duneau et André Katz, deux physiciens théoriciens de l’École Polytechnique, jettent le cadre mathématique de la description de ces objets en proposant une coupe tridimensionnelle d’un arrangement périodique d’un espace de plus grande dimension. Le pavage (de Penrose) est alors une coupe bidimensionnelle irrationnelle d’une structure périodique de dimension 4.

La vérification de ces modèles mathématiques fut donnée par les chimistes et métallurgistes de l’Université Tohoku à Sendaï et du CECM à Vitry sur Seine (cf. Georges Chaudron) qui, en réussissant à préparer des cristaux macroscopiques dans des alliages Al-Cu-Fe et Al-Pd-Mn, obtinrent des grains de plusieurs microns et même des monocristaux de plusieurs centimètres.

Les propriétés de ces matériaux comme on s’y attendait sont particulières. La résistivité électrique est particulièrement élevée si on tient compte des composants métalliques qui ont une résistance de l’ordre de quelques µΩ/cm alors que les alliages quasi-cristaux atteignent plusieurs Ω/cm pour l’alliage Al-Pd-Re. De plus, cette résistivité augmente quand la température diminue. Enfin, pour la conductivité thermique, ce sont plutôt des isolants. Du point de vue mécanique ce sont des alliages durs et fragiles avec une transition fragile-ductile à haute température. Les poudres de quasi-cristaux peuvent être utilisés en isolation thermique ou comme dispersoïdes dans les métaux à basse température de fusion avec un effet durcissant.

C’est surtout les propriétés de surface qui présentent les meilleures potentialités. En effet, l’énergie de surface de certains quasi-cristaux est à peine supérieure à celle du Téflon et bien inférieure à celle de l’acier poli. En conséquence, une goutte d’eau ne s’y étale pas et la surface n’est pas mouillée par le liquide : elle n’est pas adhésive.

Cette propriété a donné l’idée d’une application particulière pour les paliers des moteurs explosion, mais aussi grand public pour un possible revêtement des poêles à frire.
|Cette dernière application démarre en 1998-99 lorsque la SNMI (filiale du CEA) qui avait la licence d’exploitation des quasi-cristaux pour certaines applications, cédée par le CNRS, est rachetée par Saint- Gobain qui sous-licence le fabricant de casseroles, Sitram, et un projeteur, APS, pour élaborer à partir de quasi-cristaux de type Al-Cu-Fe des revêtements d’ustensiles de cuisson concurrents des revêtements en Téflon.

L’opération démarre sous de bons auspices, mais se casse les dents une année plus tard, à cause de la qualité et de la reproductibilité du revêtement trop poreux et corrodable qui, malgré ses qualités anti-adhésives, se dégrade rapidement. Douze ans après avec la fin des brevets, une société américaine reprend le flambeau en espérant que la réglementation de plus en plus sévère sur les traces de dérivés fluorés dans l’alimentation éliminera progressivement le Téflon… Trop vite les français ?

Le prix Nobel de Chimie 2011, qui couronne Dany Shechtman (2e à partir de la gauche) pour la découverte des quasi-cristaux, distingue le découvreur qui a dû pendant près de deux ans se battre contre les idées reçues d’une communauté bien pensante.
On peut regretter que John Cahn (1er à partir de la gauche) n’y soit pas associé et notre cœur tricolore aurait bien voulu que Denis Gratias (à droite) y ait une petite part.

Pensée du jour
« L’investigateur doit poursuivre ce qu’il cherche mais aussi voir ce qu’il ne cherchait pas (Claude Bernard) »

Sources

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