Histoire de la cristallographie & son rôle sociétal

9782729868918La cristallographie concerne la description des cristaux et plus largement de la matière cristallisée qui est l’état naturel de la plus partie de la matière solide. Le sucre, le sel, le diamant sont des solides cristallins que nous reconnaissons facilement comme tels mais cela concerne également les métaux, les alliages, les médicaments solides, le silicium de nos ordinateurs et tant d’autres. Le verre en revanche ne relève pas de la matière cristallisée mais du deuxième type de solide que l’on nomme amorphes nous verrons pourquoi. Le monde du solide peut donc se diviser en deux : les solides cristallins et les solides amorphes.

Le mot « cristal » évoque généralement les minéraux et on pense tous à ces collections de minéralogie qui encore aujourd’hui attirent les foules. Les cristaux font partie des nombreux souvenirs qu’on peut rapporter de nos vacances et exposer fièrement sur nos étagères. Ils émerveillent petits et grands, et le diamant en est emblématique. Tous nous discernons dans les cristaux un esthétisme certain qui est indissociable de la cristallographie. L’attrait pour le cristal remonte certainement à des temps très anciens mais les fondements de la cristallographie descriptive, comme science, date de la fin du XVIIIème et  du début XIXème siècle. Compte tenu qu’à cette époque les cristaux étaient exclusivement d’origine naturelle, elle faisait partie alors des sciences dites naturelles. Il s’agissait de comprendre ce qui fait la forme si particulière des cristaux. Dans un traité de 1772 Jean-Baptiste Louis Romé de L’Isle montra que les cristaux d’une même substance peuvent avoir des tailles différentes mais qu’ils conservent les mêmes proportions et les mêmes angles entre deux faces adjacentes. Par ailleurs le fait qu’un gros cristal qui se brise donne des petits cristaux de même morphologie conduisit René Just Haüy à proposer dans son traité de minéralogie en 1801 que tout cristal est formé par l’assemblage tridimensionnel et régulier de petits volumes élémentaires de matière. De façon imagée on peut comparer un cristal à une pyramide égyptienne qui est construite par l’empilement régulier d’une infinité de briques qui sont pratiquement invisibles et ne laissent voir que la forme pyramidale qui en résulte avec ses faces bien définies. A la différence des briques des pyramides, les petits volumes élémentaires à partir desquels sont formés les cristaux ne sont pas nécessairement des parallélépipèdes ou des cubes. En 1849, Auguste Bravais démontre mathématiquement qu’en plus des briques parallélépipédiques et cubiques il existe 5 autres types de « briques cristallines » (triclinique, monoclinique, quadratique, hexagonal et rhomboédrique). Tous les cristaux que l’on peut rencontrer sont uniquement constitués de l’assemblage de l’un de ces 7 types de briques. Leurs dimensions peuvent varier mais on aura toujours l’un de ces 7 types de volume élémentaire de substance cristallisée dans lesquels se répartissent 14 réseaux de translation, dit réseaux de Bravais, décrivant la triple périodicité des cristaux dans les trois directions de l’espace. Il est à noter qu’Auguste Bravais est né à Annonay en 1811, qu’il a obtenu un doctorat de la Faculté des Sciences de Lyon en 1837 et y a été Professeur de mathématiques appliquées à l’astronomie de 1841 jusqu’à sa nomination comme Professeur à l’Ecole Polytechnique en 1845.

Les travaux d’Auguste Bravais montrent également la relation entre le type de volume élémentaire et la symétrie du cristal. En effet, la matière cristallisée est intrinsèquement associée à la notion de symétrie (axes de rotation, plan de symétrie, centre d’inversion). Les travaux d’Auguste Bravais, puis à sa suite ceux d’Arthur Moritz Schoenflies et d’Evgraf  Fedorov à la fin du XIXème siècle, ont permis d’assoir la cristallographie sur une solide base mathématique. Avec Pierre Curie la cristallographie devient également une science physique, en particulier avec son principe de symétrie qui dit que « Lorsque certaines causes produisent certains effets, les éléments de symétrie des causes doivent se retrouver dans les effets produits.». L’application de la cristallographie à la physique permet d’en vérifier la solidité théorique, cependant il faut attendre le début du XXème siècle et la découverte en 1912, par Max von Laue, que les rayons X sont diffractés par un cristal pour en avoir une vérification irréfutable. Max von Laue montre que la diffraction des rayons X est bien la conséquence de l’empilement régulier des volumes élémentaires dans le cristal. Cela a pour autre conséquence  de démontrer que le rayonnement X est un rayonnement électromagnétique.

La découverte de Max von Laue est considérée comme l’acte de naissance de la cristallographie moderne. Elle lui vaudra le prix Nobel de Physique en 1914. C’est pour cette raison que l’année de la cristallographie sera célébrée en 2014. A la suite de Max von Laue les Bragg père et fils vont démontrer la relation entre la figure de diffraction et la forme et la taille du volume élémentaire. Ils obtiennent pour cette découverte le prix Nobel de Physique en 1915. Après ces deux découvertes majeures la cristallographie va devenir un outil puissant d’analyse structurale aux côtés de la physique, de la chimie puis de la biologie. En effet, si la figure de diffraction donne l’information sur le type d’empilement,  l’intensité du rayonnement X diffracté dépend de la nature des atomes et de leur organisation. La cristallographie est de nos jours indissociable de la diffraction des rayons X. Dans la communauté scientifique française on distingue encore parfois la cristallographie (descriptive) de la radiocristallographie (diffraction des rayons X, des neutrons ou des électrons par un cristal) mais il faut souligner que cette différenciation s’estompe progressivement.

La cristallographie est aujourd’hui incontournable pour quiconque s’intéresse aux relations qui existent entre l’organisation des atomes à l’état solide (métaux, molécules, alliage, protéines …) et les propriétés qui en résultent. La cristallographie, du fait qu’elle donne de l’information sur la structure, intéresse un large panel de domaines.

Science naturelles : la cristallographie reste un domaine des sciences naturelles puisqu’elle permet d’étudier et de caractériser les différents minéraux. Elle est ainsi utilisée dans l’exploration spatiale ; le robot Curiosity de la NASA envoyé sur Mars est équipé pour l’analyse des roches par diffraction des rayons X.

Matériaux classiques et matériaux moléculaires : les propriétés physiques (magnétiques, électriques, mécanique, optiques …) dépendent de la structure.

Grands équipements : La communauté internationale s’est équipée de grand équipements tels que les synchrotrons SOLEIL (Source Optimisée de Lumière d’Énergie Intermédiaire du LURE) à Saclay et ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble qui permettent entre autre de faire de la diffraction de rayons X  à haute résolution intéressant la chimie, la physique et la biologie.

Pharmacologie (plutôt que Pharmacie) : la structure à l’état solide de tous les principes actif solides entrant dans les médicaments doit être parfaitement établie et maitrisée au cours de la fabrication. Une propriété telle que la solubilité qui régit les doses à administrer dépend de la structure. Une modification de la structure pendant le cycle de fabrication ou pendant le transport peut avoir des conséquences dramatiques.

Biologie : la cristallisation des protéines est devenue une activité majeure de la cristallographie. En effet, l’obtention de cristaux d’une protéine permet d’utiliser la diffraction pour remonter à la structure de façon non ambigüe. Depuis les années 1990 de nombreux laboratoires en ont fait leur spécialité dont deux sont localisés en région Rhône-Alpes, à savoir l’IBCP (Institut de Biologie et Chimie des Protéines) à Lyon et l’IBS (Institut de Biologie Structurale) à Grenoble bénéficiant de la proximité des grands équipements, comme l’ESRF notamment. Il est à noter que la découverte de la structure en double hélice de l’ADN par James Watson et Francis Crick, qui ont reçu pour cela le prix Nobel de Médecine en 1962, a été rendue possible grâce aux expériences de diffraction des rayons X conduites par Rosalind Franklin.

 Auteur : Dominique Luneau (UFR Science & Technologie – Lyon 1)

Lecture recommandée :

A. Pénicaud «  Les cristaux, fenêtre sur l’invisible »   L’esprit des Sciences – Ellipse

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *