TRANSITION ORDRE-DÉSORDRE

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Dans un gaz idéal, les atomes (ou les molécules) sont distribués parfaitement au hasard les uns par rapport aux autres : c'est un modèle de désordre géométrique parfait. Dans un cristal idéal, l'arrangement des atomes donne, au contraire, l'image de l'ordre parfait. Entre ces deux perfections, dans le désordre et dans l'ordre, l'observation des états naturels de la matière conduit à l'analyse des écarts à l'ordre ou au désordre : c'est une branche de la physique qui est stimulée par l'importance d'applications telles que l'élaboration de matériaux possédant des propriétés mécaniques, électriques, optiques ou magnétiques particulières.

Désordre réticulaire et désordre topologique

L'ordre qui règne dans un cristal est caractérisé par le fait que l'arrangement des atomes autour d'un point r se retrouve identique en tous les points r + l, l étant l'une quelconque des translations du réseau :

On peut tout aussi bien dire que l'édifice cristallin est ramené en coïncidence avec lui-même par l'une quelconque des translations l. Dans un tel assemblage, la notion de périodicité se substitue donc, à l'échelle atomique, à celle d'homogénéité.

Défauts localisés

Plusieurs types de défauts peuvent venir troubler cette parfaite périodicité cristalline. D'abord l'agitation thermique, qui déplace légèrement les atomes autour de leurs positions moyennes d'équilibre, mais aussi des défauts localisés. Imaginons qu'un cristal formé d'atomes de type A (par exemple du fer) contienne quelques atomes de type B (par exemple de l'aluminium) ; un atome B pourra ainsi venir se substituer à un atome A, constituant une rupture locale de la périodicité : cette irrégularité est nommée défaut ponctuel. Ici, le défaut est « par substitution ». Dans d'autres cas, l'atome « étranger », au lieu de prendre la place d'un atome normal, pourra venir se loger dans un interstice de l'édifice cristallin, en créant localement une déformation : le défaut sera qualifié d'interstitiel. Bien d'autres types de défauts ponctuels ont été observés, des plus simples aux plus complexes. Parmi les plus simples, citons encore les défauts du type lacune : il s'agit simplement d'un trou dans la structure, c'est-à-dire de l'absence d'un atome en un site où il devrait normalement se trouver.

Un défaut ponctuel provoque dans le milieu, à l'échelle atomique, une anomalie locale de potentiel qui peut trapper des électrons sur des niveaux quantifiés d'énergie, tout comme le font les noyaux des atomes. Il en résulte une spectroscopie des défauts, et les cristaux peuvent être colorés du fait de la présence de ces imperfections, que l'on nomme alors, pour cette raison, des centres colorés.

Les défauts peuvent être porteurs d'une charge électrique : en migrant sous l'effet d'un champ électrique, ils provoquent un courant. On interprète ainsi la conductibilité des électrolytes solides qui, s'ils étaient parfaits, seraient isolants.

Un traitement thermique des cristaux peut les guérir plus ou moins de leurs défauts ponctuels (recuit) ou, au contraire (chauffe suivie de trempe), les en doter.

Dans la catégorie des défauts cristallins localisés, il faut aussi citer les dislocations. Ce sont des défauts qui s'étendent le long d'une ligne dans le milieu cristallin. La présence de dislocations et la faculté qu'elles ont de migrer dans le cristal permettent d'expliquer, en particulier, la plasticité des métaux.

Désordre réticulaire

L'objet de cet article n'est pas de décrire en détail les défauts localisés, mais de s'intéresser aux divers types de désordres non localisés. Considérons donc un composé binaire AB et supposons qu'à l'état solide sa structure cristalline puisse être représentée par la figure a (structure réduite à un schéma à deux dimensions au lieu de trois, pour simplifier). Si A et B représentent deux ions tels que, par exemple, Cl et Na+, tous les premiers voisins d'un ion A sont du type B, et réciproquement, en raison des forces électrostatiques d'interaction, attractives entre A et B et répulsives entre A et A ou B et B. Mais si A et B représentent les deux types d'atomes composant un alliage binaire, AlFe par exemple, les liaisons sont de type métallique, et on peut imaginer que l'énergie correspondant à une configuration parfaitement ordonnée soit assez peu différente de celle d'une configuration désordonnée telle que celle qui est représentée par la figure b. L [...]

Composé binaire AB : ordre et désordre

Dessin : Composé binaire AB : ordre et désordre

Modèle à deux dimensions du phénomène d'ordre-désordre dans un composé binaire AB. État parfaitement ordonné (a) et état désordonné (b). Les flèches indiquent la périodicité, rigoureuse (a) et moyenne (b). 

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Composé binaire AB : ordre et désordre

Dessin : Composé binaire AB : ordre et désordre

Modèle à deux dimensions du phénomène d'ordre-désordre dans un composé binaire AB. État parfaitement ordonné (a) et état désordonné (b). Les flèches indiquent la périodicité, rigoureuse (a) et moyenne (b). 

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Composé binaire AB : ordre et désordre

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Modèle à deux dimensions du phénomène d'ordre-désordre dans un composé binaire AB. État parfaitement ordonné (a) et état désordonné (b). Les flèches indiquent la périodicité, rigoureuse (a) et moyenne (b). 

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Composé binaire AB : ordre et désordre

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Ordre ferromagnétique et désordre paramagnétique

Ordre ferromagnétique et désordre paramagnétique
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Désordre réticulaire du type glace

Désordre réticulaire du type glace
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Désordre topologique

Désordre topologique
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Écrit par :

  • : professeur émérite à l'université de Paris-VI-Pierre-et-Marie-Curie, membre de l'Académie des sciences, ancien ministre

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Pour citer l’article

Hubert CURIEN, « TRANSITION ORDRE-DÉSORDRE », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 12 août 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/transition-ordre-desordre/