Lever le voile sur le mystère de la structure cristalline

Portrait de l'auteur dans le laboratoire

Joachim de Fourestier. © Musée canadien de la nature

L’été dernier, j’ai effectué un stage à titre de boursier Harry Reid de l’Université Carleton avec le chercheur du Musée canadien de la nature Aaron Lussier, Ph.D. Le travail consistait à étudier de quelle manière des éléments communs comme le silicium et le fer se combinent pour former la structure d’un grand nombre de minéraux.

Le but ultime de cette recherche en cours est de déterminer pourquoi certaines structures cristallines sont plus communes que d’autres. Est-ce parce qu’elles sont plus stables ou en raison d’autres facteurs ?

C’est une question déterminante en sciences minérales. Croyez-le ou non, on ne comprend pas encore entièrement ce qui explique la forme, la structure atomique et la composition chimique de la plupart des minéraux.

Ainsi, les origines de la structure cristalline constituent une importante lacune dans notre connaissance du fonctionnement du système de la Terre.

Nous savons par contre que les minéraux possèdent une structure cristalline interne fascinante.

Les minéraux se composent d’atomes parfaitement ordonnés qui forment des cristaux. Même un cristal suffisamment gros pour que vous puissiez le prendre dans votre main, comme un de ceux exposés dans la Galerie de la Terre du Musée, comprend des milliers de milliards d’atomes dont chacun occupe une place bien précise dans la structure.

Fait intéressant, des minéraux n’ayant en apparence aucun lien entre eux peuvent partager certains aspects structuraux, par exemple des atomes de silicium en feuilles ou encore des atomes d’aluminium faisant partie d’une chaîne qui semble sans fin (voir Figure 1).

la structure d’un minéral

Figure 1. On représente souvent la structure d’un minéral à l’aide de polyèdres fermés avec un atome de métal au centre et des atomes d’oxygène aux angles. Cette image montre comment les chaînes (a) formées d’octaèdres partageant un côté s’unissent pour former des feuilles (b). Ce type de structure en chaîne se trouve dans plus de 50 espèces minérales naturelles et dans des dizaines de composés synthétiques. Image: Aaron Lussier © Musée canadien de la nature.

Expliquer pourquoi les minéraux présentent une certaine structure atomique pourrait donner lieu à de nombreuses applications pratiques.

On pourrait créer de meilleurs matériaux synthétiques dotés de propriétés spécialisées. On serait en mesure de mettre au point des matériaux dont l’interaction avec la géologie locale serait prévisible ou qui contribueraient à la remise en état de milieux contaminés par des toxines dangereuses, comme le plomb ou le mercure, et même à l’élimination des déchets radioactifs.

Tout comme la diversité des structures minérales, les possibilités d’applications pourraient être infinies !

Un morceau de chromite

Un morceau de chromite provenant de Tiébaghi, en Nouvelle-Calédonie. La chromite est la principale source du chrome, élément métallique  utilisé dans la fabrication de l’acier inoxydable. Sa structure atomique contient des fragments de la chaîne présentée à la Figure 1. Catalogue # CMNMC 59740. Image : Joachim de Fourestier © Musée canadien de la nature.

Un morceau de Magnetite

Un magnifique spécimen de Russie présentant des cristaux octaédriques très bien formés de magnétite. Catalogue # CMNMC 85016. Image : Joachim de Fourestier © Musée canadien de la nature.

 

Texte traduit de l’anglais.

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