Les chercheurs défient l'impossible en créant le plus grand quasi-cristal jamais réalisé

Les quasi-cristaux, des structures cristallines non répétitives, ont longtemps été considérés comme impossibles et controversés. Cependant, un groupe de scientifiques a récemment relevé le défi en fabriquant le plus grand quasi-cristal jamais réalisé. Cette prouesse audacieuse a été motivée par un pari lancé par l’un des chercheurs.

L’énigme des quasi-cristaux

Un quasi-cristal est un type de matériau qui a une structure ordonnée mais non périodique, c’est-à-dire qu’elle ne se répète pas à intervalles réguliers. C’est un phénomène très rare et étonnant pour la cristallographie, la science qui étudie les cristaux.

Les cristaux classiques sont formés d’un motif de particules qui se répète à l’infini dans les trois dimensions de l’espace. Ils ont une symétrie simple, qui leur permet de tourner de 2, 3, 4 ou 6 fois sur eux-mêmes sans changer d’aspect.

Les quasi-cristaux, en revanche, sont formés de deux sortes de particules qui s’assemblent de manière ordonnée mais non répétitive, comme un carrelage fait de deux formes de carreaux. Ils ont une symétrie plus complexe, qui leur permet de tourner de 5, 8, 10 ou 12 fois sur eux-mêmes sans changer d’aspect.

Les quasi-cristaux ont été théorisés en 1981, en s’inspirant des dessins géométriques de l’art islamique ancien. Ils ont été découverts pour la première fois dans la nature en 1982 par le chimiste israélien Dan Shechtman, qui a reçu le prix Nobel de chimie en 2011 pour cette découverte qui a remis en question la définition d’un cristal.

L’audacieux défi scientifique

Des décennies après la découverte des quasi-cristaux, des chercheurs ont décidé de relever un défi encore plus grand : créer le plus grand quasi-cristal jamais réalisé. Les résultats ont été publiés sur le serveur de préimpression arXiv.

Ils ont commencé par effectuer des simulations informatiques pour déterminer les meilleures particules à utiliser. Leurs résultats ont indiqué qu’il fallait combiner deux types de sphères métalliques de tailles différentes. Une sphère de 2,4 millimètres de diamètre et une autre de 1,2 mm de diamètre étaient nécessaires pour former la structure complexe du quasi-cristal.

Les chercheurs ont placé environ 4 000 de ces sphères dans un récipient peu profond et ont commencé à les agiter et les bousculer à une fréquence de 120 fois par seconde pendant une semaine entière.

Au fur et à mesure que l’expérience avançait, ils ont pu observer l’émergence d’une structure fascinante, une mosaïque de quasi-cristal composée de trois parties de base : des grandes sphères disposées en carré avec une ou quatre sphères plus petites placées au milieu, ainsi que des grandes sphères formant des triangles avec des sphères plus petites en leur centre.

Les perspectives d’avenir

Malgré leur taille impressionnante, les applications pratiques des quasi-cristaux restent encore lointaines. Néanmoins, les quasi-cristaux ont des propriétés uniques qui pourraient avoir diverses applications. Par exemple, ils pourraient protéger des objets de la chaleur, renforcer l’acier ou réparer des os cassés.

Les quasi-cristaux sont en effet très résistants à la chaleur, car ils ont une faible conductivité thermique. Ils pourraient donc servir à recouvrir des pièces métalliques exposées à des températures élevées, comme des moteurs ou des turbines.

Les quasi-cristaux sont aussi très durs et résistants à la corrosion, car ils ont une structure complexe qui empêche les défauts ou les fissures. Ils pourraient donc servir à renforcer l’acier ou à fabriquer des outils coupants ou abrasifs. Les quasi-cristaux sont également biocompatibles, car ils ne provoquent pas de réaction du système immunitaire. Ils pourraient donc servir à fabriquer des implants osseux ou dentaires.

Par Eric Rafidiarimanana, le 3 août 2023