CRISTAUXSynthèse des cristaux

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Tenter d'imiter les plus belles pierres naturelles est un art ancien : Pline l'Ancien (23-79), dans son Histoire naturelle mentionnait déjà la fabrication des doublets (deux pierres ou verres accolés) pour ressembler aux gemmes les plus convoitées. L'alchimie occidentale est florissante aux xvie et xviie siècles : la pierre philosophale devait permettre la transmutation des métaux vulgaires en or. Dans cette ultime quête, essentiellement philosophique – la restauration de l'homme dans son originelle ressemblance en vue de sa déification –, l'esprit de la cristallogenèse sommeillait. Ce terme désigne la science et les techniques qui permettent la synthèse de minéraux, c'est-à-dire leur fabrication par l'homme.

Ce n'est qu'au xixe siècle que la véritable cristallogenèse connaît ses premières réussites. En 1847 et 1848, Jacques Joseph Ebelmen (1814-1852), professeur à l'École des mines puis administrateur de la Manufacture de Sèvres, synthétise plusieurs minéraux millimétriques, tels l'émeraude, le corindon, le spinelle et le péridot. En 1877, Edmond Frémy (1814-1894), professeur à l'École polytechnique et au Muséum d'histoire naturelle, obtient des cristaux centimétriques de rubis synthétique. L'essor de la cristallogenèse n'aura, dès lors, de cesse, avec un parcours semé d'échecs et de brillantes réussites dans la maîtrise des processus de croissance cristalline. Aujourd'hui, le nombre des techniques de la cristallogenèse est important et celles-ci ne cessent de s'améliorer.

Certes, les cristaux synthétiques sont utilisés en joaillerie, où ils doivent être identifiés comme tels pour éviter toute contrefaçon, mais ils trouvent leurs principales applications dans l'industrie. Ils sont généralement plus purs que leurs équivalents naturels et ne présentent pas les défauts cristallins qui nuisent aux propriétés physicochimiques pour lesquelles ils sont utilisés. L'électronique et l'informatique sont fondées sur les propriétés des cristaux ultra-purs utilisés dans les semiconducteurs. L'optique et la technologie laser les utilisent largement. L'horlogerie moderne emploie des rubis synthétiques pour ses rouages mécaniques et de minuscules résonateurs taillés dans des cristaux de quartz synthétique de haute qualité pour les montres. Le diamant – le plus dur des minéraux – est synthétisé pour les outils d'usinage, etc.

En recherche fondamentale, les sciences de la Terre utilisent des techniques comme la cellule à enclume de diamants, qui permettent d'atteindre des conditions de température et de pression extrêmes, et ainsi, de synthétiser des minéraux caractéristiques du manteau terrestre, afin de mieux comprendre la structure et la dynamique interne de notre globe.

Les techniques de la cristallogenèse

La plupart des éléments de la croûte et du manteau terrestres sont enclins à cristalliser lorsqu'ils se solidifient. La cristallogenèse consiste essentiellement à maîtriser les conditions physicochimiques (principalement de température et de pression) lors de cette solidification, pour atteindre celles de la stabilité du minéral envisagé.

Cette maîtrise fait intervenir plusieurs techniques qui reposent sur deux types d'approche. Le premier consiste à transformer un constituant naturel dans un état physique initial, appelé phase (solide, liquide ou gazeuse), et à le modifier au cours d'opérations physicochimiques jusqu'au solide désiré. Le second consiste à dissoudre le produit de départ dans un bain approprié et à modifier les conditions pour atteindre la sursaturation et ainsi provoquer la cristallisation du minéral recherché.

Avec la première approche, ce sont les phénomènes physiques qui prédominent pour s'approcher des conditions naturelles – nous l'appellerons la croissance ou cristallogenèse physique – ; selon la seconde, c'est plutôt la chimie qui permet, par dissolution (en solution anhydre, en solution gazeuse, ou en croissance hydrothermale), la croissance cristalline.

La cristallogenèse physique

La cristallogenèse physique peut s'effectuer à partir de trois états de la matière. Ainsi, on distingue la croissance en phase solide, la cristallisation à partir du liquide de fusion et la croissance en phase vapeur.

La croissance en phase solide

Ce procédé est assez ancien et utilise deux techniques de la métallurgie : le recuit et le frittage.

Le recuit consiste à chauffer un matériau polycristallin jusqu'à dépasser une température critique, dite de recristallisation, sans toutefois atteindre celle de la fusion. Dans ces conditions, le matériau se restaure, c'est-à-dire qu'une recristallisation s'effectue par germination et croissance de nouveaux cristaux, qui se substituent progressivement à l'ancien édifice polycristallin. Si le recuit s'effectue très lentement, certains cristaux se développent au détriment des autres et peuvent atteindre des tailles appréciables. L'application d'une pression (recuit sous contrainte) permet généralement d'abaisser la température critique et donc d'accélérer le phénomène de croissance.

Le frittage consiste également à chauffer, sans avoir recours à une fusion complète, mais à partir d'un matériau de base qui est une poudre. L'augmentation de température et l'application de contraintes permettent l'agglomération des grains et la croissance de cristaux par diffusion atomique.

La cristallisation à partir du liquide de fusion

La croissance en phase liquide (ou bain fondu) permet d'obtenir les meilleurs cristaux synthétiques, mais n'est pas applicable à certains matériaux, notamment à ceux qui présentent une structure cristalline différente à haute température de celle à température ambiante.

Plusieurs méthodes de synthèse sont connues mais le principe général repose sur la cristallisation à partir d'un germe, ou cristallite, de taille micrométrique qui initie la croissance cristalline du cristal artificiel.

Le procédé de Verneuil, mis au point dès 1891, utilise un four à chalumeau oxhydrique : la poudre est amenée par le courant d'oxygène du chalumeau et fond sous une température qui dépasse les 2 000 0C. Les gouttelettes ainsi formées tombent sur un germe et cristallisent, pour former un pédoncule en forme de bouteille dont la croissance cesse lorsque sa surface supérieure atteint une température trop élevée à proximité de la flamme. Le cristal en formation est entouré d'un moufle réfractaire pour éviter un refroidissement trop rapide qui pourrait le briser. Au début des années 1910, Verneuil produisait annuellement plus de 3 000 kilogrammes de corindon synthétique (rubis et saphir). Actuellement, les procédés industriels issus de cette méthode permettent d'obtenir des « bouteilles » monocristallines d'un mètre de longueur sur dix centimètres de diamètre, et ce sont quelque 200 [...]

Procédé Verneuil

Dessin : Procédé Verneuil

Principe de la synthèse par fusion de flamme (procédé Vemeuil) : fabrication du rubis artificiel 

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Quartz artificiel

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  • : docteur en sciences de la Terre, concepteur de la collection La Science au présent à la demande et sous la direction d'Encyclopædia Universalis, rédacteur en chef de 1997 à 2015

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Pour citer l’article

Yves GAUTIER, « CRISTAUX - Synthèse des cristaux », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/cristaux-synthese-des-cristaux/