QUASI-CRISTAUX

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Élaboration des quasi-cristaux

Plus d’une centaine de matériaux quasi-cristallins furent identifiés au cours des cinq années qui suivirent la découverte du premier quasi-cristal, le plus souvent dans des systèmes d’alliages ternaires contenant de l'aluminium comme élément majoritaire, et un ou deux éléments de la série des métaux de transition : aluminium-manganèse-silicium, aluminium-fer-cuivre, aluminium-palladium-manganèse, aluminium-cuivre-lithium, aluminium-cuivre-ruthénium. Des quasi-cristaux icosaédriques ont aussi été obtenus en alliant des éléments tels que titane-chrome, titane-manganèse, gallium-magnésium-zinc ou encore uranium-palladium-silicium.

D'autres symétries non cristallines ont également été observées dans des structures pentagonales, octogonales, décagonales ou dodécagonales, ayant une direction de périodicité confondue avec un axe de rotation d'ordre 5, 8, 10 ou 12 respectivement. Ces autres structures quasi-cristallines furent souvent observées dans des systèmes d’alliages identiques à ceux des quasi-cristaux icosaédriques.

Une grande majorité de ces nouveaux matériaux a pu être identifiée, d’une part, grâce à de nouveaux examens des diagrammes de phases où, auparavant, certaines structures de composés intermétalliques n’avaient pas pu être déterminées par diffraction des rayons X et, d’autre part, grâce aux progrès techniques de différents moyens d’investigations structurales, en particulier ceux de la microscopie électronique à transmission. Si les résultats de ces recherches ont permis de dégager quelques règles empiriques sur les conditions de formation des quasi-cristaux, aucune loi physique n’a pu être encore établie ou vérifiée.

La fabrication du premier quasi-cristal aluminium-manganèse a été réalisée par une solidification ultrarapide d’alliage liquide refroidi à une vitesse de plus de 1 million de degrés par seconde (technique de la trempe sur roue), qui permet de geler une structure dans un état métastable. Cette méthode avait été mise au point pour produire des « verres » métalliques dont la structure microscopique très désordonnée est dite « amorphe ». Dans le cas de l’alliage aluminium-manganèse, le matériau obtenu se présente sous forme de petits rubans contenant des grains de quasi-cristal de quelques micromètres dispersés dans une matrice d’aluminium. Comme la structure de ce quasi-cristal se transforme au profit d’une forme cristalline sous l’effet d’un traitement thermique, la structure quasi-cristalline pouvait être considérée comme moins stable et donc moins bien ordonnée que celle du cristal, et semblait constituer en quelque sorte une structure intermédiaire entre celle d’un liquide (ou d’un verre métallique) et celle d’un cristal. Les découvertes ultérieures d’autres quasi-cristaux, obtenus par des procédés classiques de solidification lente, ont cependant renforcé le point de vue que ce nouvel état de la matière pouvait être fondamental, c’est-à-dire thermodynamiquement stable à une température proche de 0 kelvin (environ — 273 0C). Cette hypothèse est fondée sur le caractère déterministe que peut présenter une structure quasi périodique telle qu’elle est décrite dans la théorie mathématique. Dans ce cas, l’entropie du quasi-cristal, qui donne une mesure de son désordre géométrique, est nulle.

De même que pour les cristaux, les formes facettées des quasi-cristaux sont directement fonction de leur groupe de symétrie et de leur structure atomique. Grâce à l’ingéniosité humaine pour reproduire des phénomènes similaires à ceux de la nature, différentes morphologies de grains facettés ont été obtenues : des formes simples (dodécaédrique, icosidodécaédrique), mais aussi des formes complexes telles qu’une étoile à vingt branches (dans l’alliage aluminium-manganèse-silicium). La première forme observée fut celle du quasi-cristal icosaédrique aluminium-lithium-cuivre, montrée sur la figure 3. Dans ce cas, des grains de quelques dixièmes de millimètre présentent la forme du triacontaèdre défini par trente faces en forme de losanges, identiques entre elles. L’aspect spectaculaire de cette forme facettée est qu’elle correspond à celle d’un polyèdre de symétrie icosaédrique caractéristique du quasiréseau icosaédrique défini par la théorie mathématique.

Icosaèdre aluminium-cuivre-lithium

Dessin : Icosaèdre aluminium-cuivre-lithium

Monograins facettés de phase icosaédrique aluminium-cuivre-lithium dont la forme correspond à celle du triacontraèdre. Les grains montrés en encart sont, de gauche à droite, orientés suivant un axe de symétrie d'ordre 2 et un axe d'ordre 3. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Diffraction électronique d'un quasicristal

Diffraction électronique d'un quasicristal
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Microscopie électronique d'un quasicristal

Microscopie électronique d'un quasicristal
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Icosaèdre aluminium-cuivre-lithium
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Pour citer l’article

Marc AUDIER, Michel DUNEAU, « QUASI-CRISTAUX », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 mai 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/quasi-cristaux/