La radiocristallographie : Voyage au coeur des minéraux

2014 marque le centenaire de la radiocristallographie, une technique que j’utilise régulièrement dans mes recherches sur la structure des minéraux. Il y a un siècle, en 1914, on déterminait pour la première fois une structure atomique. William Henry Bragg et son fils William Lawrence ont découvert la structure cristalline d’un minéral très commun, l’halite ou chlorure de sodium. Ils ont été les premiers à mettre en évidence la loi physique qui régit les liens entre la diffraction des rayons X et l’arrangement des atomes au sein d’un cristal, que l’on connaît aujourd’hui sous le nom de loi de Bragg.

Un homme place un spécimen minéralogique dans le diffractomètre à rayons X.

L’adjoint à la recherche Ralph Rowe se prépare à analyser un spécimen avec le diffractomètre à rayons X. Image : Dan Smythe © Musée canadien de la nature

Au cours de mes 38 années au Musée canadien de la nature, j’ai découvert plus de 100 structures cristallines et décrit une centaine de nouveaux minéraux. Au laboratoire de radiographie du Musée, je fais surtout le travail de routine d’identification des minéraux.

Le cristal d’un mineral jaune posé sur un fin fragment.

Ce cristal jaune de leucophane d’un demi-centimètre s’est développé sur un fin fragment d’aegyrine. J’ai été le premier à découvrir la structure du leucophane et le secret de sa formation cristalline. Image : Michael Bainbridge © Musée canadien de la nature

Les minéraux sont très difficiles à identifier, car beaucoup ont des propriétés physiques très semblables, alors que leurs caractéristiques invisibles, comme leur composition chimique et leur structure atomique peuvent varier grandement. Savoir exactement à quel minéral on a affaire est crucial pour l’industrie minière et l’interprétation géologique.

J’ai utilisé l’analyse des structures cristallines à plusieurs fins. Elles m’ont aidé à décrire de nouvelles espèces minérales, comme la moydite, qui doit son nom à Lou Moyd, le premier conservateur des minéraux du Musée. D’autres chercheurs se sont intéressés à la moydite en tant que possible matrice de confinement du césium radioactif, un dangereux sous-produit de la production électrique nucléaire. Plus récemment, j’ai aussi étudié les changements structurels de minéraux comme la veatchite et l’hilgardite afin de contribuer à l’interprétation des conditions géologiques présidant aux formations de sels comme les dépôts de potasse du Sussex, au Nouveau-Brunswick.

Image d’un microscope à balayage électronique montrant des cristaux en feuillets de nisnite.

Image d’un microscope à balayage électronique montrant des cristaux de nisnite provenant de la mine Jeffrey au Québec. La nisnite est une nouvelle espèce minérale décrite par le personnel du Musée et étudiée par radiocristallographie. Image : Musée canadien de la nature © Musée canadien de la nature

Aujourd’hui, on retient surtout de la radiographie ses applications médicales et dentaires ou encore celles liées à la sécurité des aéroports. Les rayons X utilisés dans ces cas-là ont des longueurs d’onde beaucoup plus courtes et hautes en énergie que ceux en usage en cristallographie, d’où leur capacité à traverser les tissus humains ou les parois des valises et à transmettre une image à un détecteur.

Pour déterminer la structure cristalline, il faut choisir un rayon X qui ait une longueur d’onde comparable à la taille d’un atome. Quand on bombarde le cristal de rayons X, ceux-ci se diffractent sur les plans des atomes. Ce phénomène est connu sous le nom de diffraction ou réflexion de Bragg. L’image qui en résulte ressemble à un ensemble de points ou pics de réflexion.

Dessin montrant la structure cristalline de la nisnite, un alliage métallique de nickel et d’étain très rare.

Dessin montrant la structure cristalline de la nisnite, un alliage métallique de nickel et d’étain très rare.
Image : Joel Grice © Musée canadien de la nature

L’intensité d’un pic est proportionnelle au nombre total d’électrons associés aux atomes se trouvant dans un plan. Par exemple, les plans comportant des atomes de plomb (élément contenant beaucoup d’électrons) diffractent un pic intense tandis que ceux composés d’atomes d’oxygène (élément possédant moins d’électrons) afficheront un pic plus faible.

Image d’un motif de diffraction des rayons X, avec des points dans un grand cercle.

Image d’un motif de diffraction des rayons X d’un cristal de calciotantite synthétique.
Image : Joel Grice © Musée canadien de la nature

Ce sont les minéralogistes qui ont accompli les premiers avancements de la radiocristallographie, puisqu’ils avaient à leur disposition des cristaux qui s’étaient développés dans la nature. Aujourd’hui, la grande majorité des cristallographes appartiennent au monde de la chimie inorganique et étudient les protéines, l’ADN et les médicaments. Pour mener leurs expériences de détermination de la structure, ils doivent d’abord faire croître un cristal, ce qui relève de l’art tout autant que de la science. Mais en l’absence d’un cristal, la diffraction des rayons X est impossible : une seule molécule est incapable de diffracter des rayons. Une fois en possession d’un cristal, on peut tenter de déterminer sa structure. Tout cela a commencé il y a 100 ans grâce à l’opiniâtreté et au génie des Bragg.

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