L’importance de la cristallographie dans notre vie quotidienne

Les diffractomètres à rayons X sont les principaux instruments utilisés pour étudier les propriétés cristallographiques de la matière. Dans ce blog, nous allons donner quelques exemples de l’importance de la cristallographie dans notre vie quotidienne.

De nombreuses substances trouvées dans la nature sont cristallines. Les cristaux qui apparaissent dans la nature, résultant de l’activité volcanique, sont formés sous haute pression ou cristallisés à partir de l’eau.

Ici, vous voyez de magnifiques cristaux de gypse qui ont grandi pendant des milliers d’années profondément sous terre. Ils ont été découverts il y a quelques années par accident lors d’activités minières à Naica, au Mexique. Ces cristaux sont extraordinairement grands ; ils mesurent plusieurs mètres de long. Notez la petite silhouette humaine en bas à droite de l’image.

Dans la plupart des cas, cependant, les cristallites trouvés dans la nature sont beaucoup plus petits. La plupart des roches, sols et sables se composent de petites particules submillimétriques comme les roches contenant du fer.

Si vous prépariez une coupe transversale d’un fragment de roche pour un microscope optique, vous verriez les petits domaines cristallographiques dans les roches. Les propriétés cristallographiques de ces roches peuvent être étudiées avec un diffractomètre à rayons X (XRD) tel que le diffractomètre multifonction Empyrean. L’Empyrean est destiné à l’analyse des poudres, des films minces, des nanomatériaux et des objets solides.

Un cristal unique dévie les rayons X en de magnifiques motifs de diffraction. La loi de Bragg détermine à quel angle un cristal unique donnera un signal de diffraction. De même, les matériaux polycristallins ou les poudres donnent des motifs de diffraction. Parmi les nombreux petits cristallites contenus dans la poudre, seuls ceux avec la bonne orientation fourniront des signaux de diffraction forts. Comme le signal de diffraction proviendra de plusieurs cristallites, le motif de poudre peut également être utilisé pour déterminer la constitution des mélanges.

La trace rouge que vous voyez ici est un diffractogramme. Il se compose de nombreux pics enregistrés en fonction de l’angle de diffraction. À partir de la position angulaire des pics, les différents constituants d’un mélange, aussi appelés phases dans le mélange, peuvent être déterminés. À partir de l’intensité relative des pics, l’abondance relative des phases peut être calculée. Un motif de poudre est comme une empreinte digitale unique du matériau ; un tel diffractogramme peut également être obtenu à partir d’objets solides tels que des roches et des métaux. Ces objets sont constitués intérieurement de nombreux petits cristallites et produisent leurs propres motifs de poudre uniques. Les diffractogrammes de poudre peuvent être enregistrés pour de nombreuses substances que nous trouvons dans le monde qui nous entoure. Ces matériaux déterminent la qualité de notre vie quotidienne. Voyons l’importance de comprendre la cristallographie des poudres et autres mélanges cristallins.

Le ciment, un matériau ennuyeux ?

Le ciment est le principal matériau de construction des bâtiments dans lesquels nous vivons, depuis l’époque romaine. Saviez-vous que la maniabilité, le temps de prise et la résistance finale du béton sont déterminés par les propriétés cristallographiques du ciment ? Pour être plus précis, la qualité des bâtiments que nous créons est déterminée par les changements de phase cristallographique lors du durcissement du ciment – un processus qui n’est pas encore totalement compris par les scientifiques d’aujourd’hui !

Le ciment est fabriqué en chauffant du calcaire et d’autres matières premières dans un long four rotatif appelé un four à clinker. Dans le four, les substances subissent des changements cristallographiques à des températures allant jusqu’à 1 400 degrés Celsius, produisant un matériau appelé clinker, qui est ensuite broyé et mélangé avec d’autres constituants pour créer le ciment. La fabrication du ciment entraîne des émissions significatives de dioxyde de carbone, CO₂, l’un des gaz responsables du réchauffement climatique. Pour chaque kilogramme de ciment, presque un kilogramme de CO₂ est produit, créant environ 5 % des émissions de CO₂ provenant des activités humaines. C’est la deuxième source d’émission de CO₂ après la production d’énergie.

Sur le total des émissions de CO₂ dans le processus de production de ciment, la majorité (60%) provient de la calcination du calcaire, 30% proviennent du carburant nécessaire pour chauffer le four. Les 10% restants sont nécessaires pour le broyage du clinker, le transport du matériau à travers les usines, etc. Les tentatives pour réduire les émissions de CO₂ se concentrent sur deux aspects :

• Premièrement, fabriquer du ciment avec moins de clinker. Des sous-produits industriels tels que les cendres volantes des centrales électriques ou les scories des hauts fourneaux produisant du fer sont utilisés pour cela. Ces matériaux ont également un effet cimentaire.
• Deuxièmement, des carburants alternatifs peuvent être utilisés pour chauffer le four, tels que les déchets plastiques, les carcasses animales ou les pneus usagés, mais ceux-ci influencent également les propriétés du ciment.

La compréhension des propriétés cristallographiques du ciment est essentielle pour produire du ciment avec de faibles émissions de CO₂.

Optimiser le minerai de fer dans l’exploitation minière

Un autre matériau important dans notre vie quotidienne est le fer. Le point de départ de tout le fer est le minerai qui est extrait du sol dans les mines. La qualité du minerai dans une mine n’est jamais constante. Elle a été déterminée il y a des millions d’années lorsque les roches se sont formées. La méthode classique et simple pour déterminer la qualité du minerai est l’inspection visuelle : comparer la couleur de l’inconnu avec un ensemble de référence. À partir de cette inspection visuelle, différentes parties du gisement de minerai peuvent être classées comme de faible qualité ou de haute qualité.

En déterminant la cristallographie, cependant, une classification beaucoup plus fine du gisement de minerai peut être faite. Cette approche permet de mieux trier les matériaux extraits en différentes qualités et de les mélanger pour créer un intermédiaire qui est beaucoup plus constant en termes de qualité ; elle augmente la rentabilité des activités minières car moins de déchets sont générés et elle réduit les dommages causés à l’environnement.

Parlons de stress

Lorsque vous étiez dans un avion en voyage, vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les fenêtres de l’avion sont ovales et non rectangulaires ? Les avions et autres machines sont soumis à des charges cycliques lors d’opérations telles que le décollage et l’atterrissage. Après de nombreuses charges répétées, des fissures peuvent se former à la surface et se propager soudainement à travers l’ensemble de la structure, causant une défaillance : ce que l’on appelle la fatigue des métaux. La fatigue des métaux n’était pas totalement comprise lorsque les premiers avions à réaction commerciaux ont été construits. Le de Havilland Comet était un exemple de tel avion à réaction construit dans les années 50. Après une introduction réussie de l’avion, deux de ces avions se sont écrasés après plus d’un an de fonctionnement réussi, plusieurs accidents catastrophiques en vol sont survenus en peu de temps. Tous les avions ont été immobilisés et l’enquête a commencé.

Les charges répétées sur le corps de l’avion ont été simulées en plaçant l’un des avions restants dans un réservoir d’eau – qui a été pressurisé et dépressurisé à plusieurs reprises. Après plus de trois mille cycles, l’avion a soudainement éclaté. L’enquête a montré qu’une fissure de fatigue s’était produite au coin d’une fenêtre rectangulaire. Des contraintes simulées dans le cadre de la fenêtre, on pouvait voir que ces contraintes sont beaucoup plus élevées dans les coins rectangulaires que dans les coins arrondis. Aujourd’hui, les fenêtres d’avion ont donc des coins arrondis.

Une amélioration supplémentaire des composants mécaniques dans les avions et autres machines a été obtenue par la génération délibérée de contraintes résiduelles de compression à la surface des composants métalliques, entraînant la fermeture des micro-fissures et réduisant ainsi la probabilité de fatigue des métaux. De nos jours, les pièces métalliques subissent un traitement par grenaillage, qui ajoute cette contrainte de compression à la surface supérieure, et les problèmes de fatigue des métaux sont en grande partie résolus. Comprendre la déformation cristallographique et la mesure par diffraction des rayons X est essentiel pour fabriquer les machines sûres et durables que nous utilisons dans notre vie quotidienne.

Électronique

Encore une autre zone : les dispositifs microélectroniques tels que les ordinateurs et les téléphones portables sont également devenus une partie essentielle de notre vie quotidienne, en particulier pour la plus jeune génération. Les téléphones portables sont devenus si petits et puissants grâce à notre compréhension de la cristallographie. Grâce à cette compréhension, nous avons créé des batteries plus petites et plus puissantes, ainsi que des composants économes en énergie comme le rétroéclairage des écrans de nos téléphones portables. Les rétroéclairages des téléphones portables sont fabriqués à partir de nitrure de gallium (GaN), un matériau semi-conducteur. Ces rétroéclairages consistent en de nombreuses couches fines qui doivent avoir les bonnes propriétés cristallographiques pour un fonctionnement optimal de l’appareil. Examinons la croissance contrôlée des cristaux.

Les rétroéclairages GaN, comme d’autres composants microélectroniques, se composent de nombreuses couches de différents matériaux qui sont cultivées sur des substrats monocristallins dans des réacteurs de dépôt chimique en phase vapeur. Selon les conditions de croissance dans le réacteur, ces couches peuvent être détendues : il n’y a pas de relation avec la structure cristalline du substrat, ou contraintes : la couche est déformée et correspond à la structure cristallographique du substrat. Ces couches contraintes sont essentielles pour le bon fonctionnement de l’appareil. La diffraction des rayons X est utilisée pour sonder la qualité cristallographique de ces couches. Les LED bien produites donnent des écrans de téléphone portable économes en énergie et durables. Encore une fois, comprendre la cristallographie est essentiel pour notre vie quotidienne.

Perfectionner les produits pharmaceutiques

La croissance et le vieillissement de la population mondiale exigent la disponibilité de matériaux pharmaceutiques pour tous. Comprendre la cristallographie des produits pharmaceutiques est essentiel pour le développement et la production de médicaments sûrs. La molécule en rotation est la Thalidomide, un médicament développé dans les années 50, qui a été trouvé avoir des effets indésirables sur les enfants à naître. Une propriété cristallographique commune dans les molécules organiques est le polymorphisme : la capacité de la molécule à cristalliser sous différentes formes.

Vous voyez ici deux formes d’indométacine, un puissant analgésique. Nous devons comprendre ces formes cristallographiques pour fabriquer des produits pharmaceutiques sûrs. En mesurant la cristallographie, nous pouvons également vérifier l’authenticité du médicament. La contrefaçon de produits pharmaceutiques est un problème répandu et constitue une menace potentielle pour la sécurité de notre population. La contrefaçon est moins risquée que le trafic de stupéfiants.

Vous voyez ici des diffractogrammes de l’indométacine alpha et gamma. Puisque les deux polymorphes ont des structures cristallines différentes, les deux diffractogrammes sont différents. La diffraction des rayons X sur poudre est le seul outil pour distinguer facilement entre les différents polymorphes d’un composé.

Des cristaux dans votre nourriture

La cristallographie est également importante pour nourrir notre population croissante. Les engrais sont essentiels de nos jours pour améliorer le rendement de l’agriculture. Comprendre la cristallographie des sols et des engrais aide à optimiser l’engrais pour les cultures à cultiver.

L’accès à l’eau potable est un problème croissant dans de nombreuses régions du monde. L’eau de nos rivières est souvent trop polluée ou utilisée pour l’irrigation, causant des pénuries d’eau pour la population en aval. La fabrication d’eau potable à partir de la mer, appelée désalinisation, est une activité croissante. Comprendre la cristallographie des membranes et des filtres est important pour construire des usines de désalinisation à faible consommation d’énergie. Enfin, des substances cristallographiques sont présentes dans de nombreux aliments que nous consommons. Le chocolat est une substance cristallographique savoureuse. Ainsi, la cristallographie n’est pas seulement essentielle pour notre vie quotidienne, elle ajoute aussi du goût.

Dans ce blog, je vous ai montré que la cristallographie est essentielle dans divers aspects de notre vie quotidienne. Vous êtes invité à en savoir plus sur la cristallographie dans notre vie quotidienne sur le site web de Malvern Panalytical.

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