L’isotropie des matériaux amorphes: Le rôle de l’eau.

C’est Descartes qui le premier énonce en 1637, dans la dioptrique, les lois de la réfraction de la lumière. Son travail avait été précédé des travaux de Witelo, Kepler, Ibn-al-Haitham, Bacon et Galilée, mais aussi par de nombreux observateurs et naturalistes dans l’antiquité.

La lumière est constituée de photons – particules élémentaires de masse nulle – mais la physique classique qui repose sur la gravitation s’est trouvée devant un problème insoluble quand il a fallu déterminer si la lumière était de nature corpusculaire ou de nature ondulatoire. S’engage alors un débat contradictoire entre Newton et bon nombre d’autres savants, comme Grimaldi et Huygens et surtout Leibniz qui persistera jusqu’au début du 20 ème siècle. Ce n’est pourtant pas les découvertes qui ont manqué pour mettre à mal la théorie corpusculaire de Newton. Ainsi la découverte par Bartholin, en 1669, des cristaux de calcite en Island laisse le phénomène de biréfringence sans explication, jusqu’à ce que Huygens formule les premières théories ondulatoires sur la polarisation de la lumière et la biréfringence. Hall en 1733, en Angleterre découvre le moyen de construire des objectifs achromatiques et invalide de ce fait la théorie de Newton qui par son télescope à réflexion croyait avoir démontré que la déviation des rayons lumineux de différentes couleurs était proportionnelle à l’indice de réfraction et avait introduit le concept de force réfringente déviant des corpuscules de masses différentes. Or les lentilles de Hall, faites de verres différents rendent une lumière blanche, tout comme le cristallin de l’œil.

Cependant c’est avec la mise en évidence de l’électricité au 18 ème siècle que tout bascule, Coulomb développe les concepts mécaniques de charges électrostatique, attractives et répulsives mais il faut attendre 1926, avec des savants comme Einstein, Maxwell, Heisenberg, De Broglie et Schrödinger pour tenter de résoudre l’apparente dualité entre la mécanique classique qui repose sur la gravitation et ce qui se dégage des observations optiques et qui décrivent des phénomènes de nature ondulatoire. Ils vont développer pour cela une physique dite quantique qui va tenter de tenir compte de tous les paramètres observables. Parmi leurs nombreux apports, ils introduisent la notion de champs et de fonction d’onde, par l’ajout une quatrième dimension à l’espace, le temps. La lumière s’est donc petit à petit définie comme une onde électromagnétique et la notion de particule a fini par devenir moins importante à mesure que les équations se sont développées pour en définir les propriétés électro-magnétiques. Nous sommes arrivés finalement à un paradoxe, soit nous considérons la lumière comme une particule localisée en un point donné de l’espace et du temps et nous devons abandonner l’espoir d’en connaître la vitesse exacte, soit nous la considérons comme une onde c’est-à-dire une portion d’espace de grandeur variable oscillant de manière non linéaire et nous abandonnons l’espoir de pouvoir localiser la particule à l’intérieur de cet l’espace. De ces constats s’ensuivent les premiers modèles de structures nucléaires des atomes et des molécules ioniques faits de nuages aux énergies variables et aux formes complexes, des calculs des niveaux d’énergies des électrons et de leurs changements possibles en fonction de la nature de leurs proches voisins où des énergies extérieures reçues. Les minéraux nous ont beaucoup aidé à comprendre la nature de ces interactions qui se traduisaient pour eux par l’apparition de systèmes ordonnés et de la couleur. Les progrès dans les domaines de la spectroscopie et de l’interprétation des interférences nous précisent les structures énergétiques des molécules. Par analogie avec les observations optiques sur la diffraction de la lumière et en s’accordant sur des longueurs d’onde de plus en plus petites comme les rayons X, nous mettons en évidence la structure des réseaux tridimensionnels des cristaux, pressenties par les premiers minéralogistes. Le microscope polarisant nous révèle des structures symétriques et chirales dans les molécules organiques, comme nous en observons pour certains cristaux, en particulier pour le quartz. Dans le domaine radio apparaissent les premières télécommunications, la biologie moléculaire et la génétique se développent et le monde des ondes ouvre des horizons illimités au 20 ème et au 21 ème siècles.

La structure de la molécule d’ADN est précisée en 1953 et nous découvrons que par la nature de ses liaisons, elle ressemble à un cristal complexe – une molécule carbonée enroulée en double hélice où sont codées des informations propres à assurer la reproduction en séries de certaines de ses parties par l’intermédiaire d’un transmetteur, l’ARN qui fournira le modèle aux unités d’assemblage, les enzymes, aidés par des métaux catalyseurs, les oligo-éléments pour reconstruire au final des structures spécifiques aux besoins des organismes, les protéines. La plupart des briques constitutives de tout cet appareil – les nucléotides, les acides aminés, les protéines – s’apparentent elles aussi à de micro cristaux aux caractères optiques souvent polaires et chirales et procèdent des énergies de liaisons d’atomes ou de groupement d’atomes qui définissent les fonctions chimiques qu’elles vont devoir établir. La molécule d’eau est ici au premier plan et est souvent décomposée et recombinée à l’infini dans ces groupement H+ et OH-, créant des potentiels électriques de nature acide ou basique, qui maintiennent ou détachent des liaisons, au gré de processus d’équilibre informés de façon encore mal connus mais dont les protocoles au niveau des membranes cellulaires ont été très précisément étudiés. L’évolution biologique, entre les premières traces de vie et la complexité des premiers eucaryotes, voit s’écouler pas moins de 800 Ma, ceci à peine 1300 Ma après la création de la terre et du système solaire.

Nous arrivons à un croisement des disciplines scientifiques qui définissent la physique des énergies et des particules, la biologie moléculaire et la chimie organique. Nous verrons au cours de cet exposé que la nature a mené ce chemin depuis les entrailles de la terre par l’interaction de la lumière et de l’eau, principales sources d’énergie douce sur notre planète.

Ainsi donc, la vitesse de la lumière dans le vide se rapproche d’une vitesse limite pour toute particule de matière, soit très proche de 294 994 km/s.

D’autre part la matière des cristaux inorganiques s’organise selon huit formes spatiales dont nous rappelons les propriétés, nous les classerons dans l’ordre décroissant des symétries. Les noms français de ces formes spatiales et leur équivalence anglo-saxonne peuvent prêter à de nombreuses confusions, nous en précisons ici les termes.

L’état amorphe, désordonné, non cristallin, traduit en anglais par amorphous, abréviation Am. , isotrope.

L’état cristallin cubique, ou système cubique, traduit en anglais par isometric, abréviation Iso. , isotrope.

L’état cristallin quadratique, ou système quadratique, traduit en anglais par tetragonal, abréviation Tet., uniaxe.

L’état cristallin hexagonal, ou système hexagonal, traduit en anglais par hexagonal, abréviation Hex., uniaxe.

L’état cristallin rhomboédrique, ou système rhomboédrique, traduit en anglais par trigonal, abréviation Trig., uniaxe.

L’état cristallin orthorhombique, ou système orthorhombique, traduit en anglais par orthorhombic, abréviation Orth., biaxe.

L’état cristallin monoclinique, ou système monoclinique, traduit en anglais par monoclinic, abréviation Mono, biaxe.

L’état cristallin triclinique, ou système triclinique, traduit en anglais par triclinic, abréviation Tri., biaxe.

L’isotropie des matériaux amorphes: Le rôle de l’eau.

Notre but n’est pas de formuler une théorie, mais d’observer et de décrire, pour comprendre la place fondamentale de l’eau comme support et véhicule de certains mécanismes minéraux, très proches du monde organique et du vivant. Tenter aussi de comparer et de saisir dans les caractères optiques des matériaux l’importance sélective de la lumière, tout autant pour la classification que pour définir les liens étroits quelle tisse avec l’ensemble de la matière.

Le premier état de la matière et le plus simple dans son interaction avec la lumière est l’isotropie. L’air, l’eau, le verre sont isotropes, ce qui veut dire que la lumière en traversant ces matières, bien que composées de molécules diverses, circulera dans toutes les directions, à la même vitesse. Il faut comprendre que la surface d’onde dans ces milieux « homogènes » est sphérique. La résistance de l’air est négligeable, mais pour que la lumière ne modifie pas sa vitesse de propagation, il n’y a que le vide absolu. En effet, plus la masse volumique d’un gaz augmente, plus son indice de réfraction est élevé, c’est la loi de Gladstone.

Or le vide absolu n’existe pas et même dans l’espace où la densité de matière est parfois très faible, c’est la gravité des étoiles massives, leur champ gravitationnel et leur champ magnétique qui interagissent avec la lumière et les particules ionisées, au point d’en déformer les trajectoires, et former parfois des singularités que l’on appelle les trous noirs, d’où aucune lumière ne s’échappe.

Lorsque la lumière pénètre dans un gaz ou un objet isotrope, sa vitesse diminue à mesure que se densifie la matière. Ainsi la matière, en se densifiant résiste davantage au passage de la lumière, cette résistance se traduit par l’indice de réfraction du milieu.

Cependant un changement d’état peut transformer optiquement les propriétés d’une même formule.

Ainsi l’eau qui passe de l’état liquide – isotrope – à l’état solide – anisotrope – peut organiser ses molécules selon plusieurs structures. La plus connue d’entre elle, est la structure hexagonale des cristaux de glace entre 0°C et – 25°C. Mais elle peut aussi sous certaines conditions avoir un état désordonné, amorphe comme la glace HDA à 77K, ou avoir une structure tétragonale comme la glace XII à – 260 K et 0,55 GPa. Evidemment les propriétés optiques varient à chaque fois, la lumière ne poursuit pas les mêmes chemins.


Si nous observons de la glace hexagonale au polariscope, c’est-à-dire entre deux filtres polarisants croisés, nous voyons qu’elle est anisotrope, c’est-à-dire qu’elle fait extinction tous les quart de tour, la structure hexagonale a transformé le milieu désordonné de l’eau, isotrope en un solide cristallin anisotrope. Ce qui veut dire que la lumière ne se déplace plus dans toutes les directions à la même vitesse. Le système hexagonal est uniaxe, le rayon initial se décompose dans cette structure en trois rayons, soit trois directions – trois vecteurs, dont deux seulement sont différents. Nous remarquons que la glace, comme le quartz, est uniaxe positif, avec des indices ; np 1,309 et ng 1,313, pour une masse spécifique de 0,920. Ainsi l’orientation de l’ellipsoïde des indices est vertical selon l’axe C, axe de croissance du cristal qui est aussi axe optique.

Pour la silice – Si O2 – nous aurons aussi plusieurs cas possibles, selon la température et la pression et leur diminution plus ou moins rapide. Nous obtiendrons des verres amorphes par refroidissement rapide comme les obsidiennes, et à basse température des verres faits de gels de silice colloïdale comme les opales. D’autre part nous aurons aussi des solides cristallins par refroidissement lent, dans leur version courante comme le quartz α ou cristal de roche, hexagonal ou de haute température avec refroidissement rapide comme la tridymite α, hexagonale, la cristobalite β, isométrique, la cristobalite α, tétragonale, ou la mélanophlogite, tétragonale.

Nous retrouvons les mêmes structures pour l’eau et la silice. Ceci peut nous aider à comprendre les différents états cristallins que je vais développer maintenant. On comprend mieux l’intuition des anciens selon laquelle le quartz était de la glace solidifiée.

Mais regardons de plus près les différents états de la silice selon les conditions de formation géologique.

La texture de l’ obsidienne, variété de rhyolite, d’origine volcanique, est crypto cristalline, du grec crypto, caché, elle contient des minéraux qui n’ont pas eu le temps de cristalliser qui sont le plus souvent disposés en couches fines parallèles, plus ou moins régulières ou mouvementées. Elle est généralement noire, elle peut aussi présenter en cours de cristallisation, des cristaux de feldspath sous forme neigeuse. Si l’on chauffe l’obsidienne à partir de 800 °C et sous pression normale, les milliers de micro bulles de gaz se dilatent et nous obtenons la pierre ponce. L’obsidienne est essentiellement une roche vitreuse issue d’un magma acide, avec jusqu’à 75 % de silice et très peu d’eau, de l’oxyde de magnésium, de l’oxyde de fer, très peu d’alcalins et des gaz. La composition générale est de quartz 30,5 % ; albite 31,0 % ; orthose 30,0 % anorthite 4 %; autres minéraux 4,5 %, en phase liquide. Son point de fusion s’étend sur 150 °C entre 800 et 950 ° C et passe par un état visqueux. L’origine de l’obsidienne est assez difficile à discerner entre magmas palingénésiques granitiques et roches résiduelles de la différenciation de magmas basaltiques riches en silice et sous saturés.

La dureté est de 5 à 5,5 la masse spécifique de 2,35 et l’indice de réfraction en conséquence de 1,48 à 1,51 l’aspect est vitreux et la cassure conchoïdale.


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