Univers, forme, matière

1^ère Partie

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.

D’autres obsidiennes plus riches en eau donnent les perlites aux cassures curvilignes qui débitent la masse vitreuse en petites sphères. On les appelle « larmes d’Apache ».

Les tectites sont des verres de silice crées par la fusion rapide et la vitrification des matériaux environnant l’impact d’un météorite de grosse taille. Elles ont des formes aérodynamiques liées à leur vitesse d’expulsion dans l’atmosphère et contiennent de nombreuses bulles de gaz carbonique, résultat du dégazage rapide des matériaux sous l’impact.

Le plus souvent noires, opaques et criblées de trous sphériques. Elles ont environ 1 Ma. On les trouve en chine et en indochine. Les cratères d’impact ne sont pas facile à identifier et peuvent se trouver de la Chine à l’Australie

Une variété verte, la moldavite de Tchécoslovaquie, provient du cratère du Ries en Allemagne et est datée de 15 Ma.

Une autre variété jaune, très controversée est le verre de Libye. Sa composition chimique très particulière en fait le matériau amorphe le plus riche en silice sur notre planète avec 98,42 % de silice ; 1,02 % Al2 03 ; 0,18 % de FeO ; 0,14 % de Fe2 03 et 0,13 % de Ti02 enfin des éléments trace comme de l’iridium et des platinoïdes. Son âge remonte à environ 28 à 30 Ma. Sa texture est stratifiée, on y trouve de nombreuses inclusions de cristobalite, des bulles de gaz contenant des hydrocarbures ou de l’eau. La densité est de 2,20 à 2,22. Sa dureté est de 6 et son indice de réfraction de 1,462.

La lumière circule dans ces verres de façon diffuse, un peu comme dans les profondeurs de l’océan. Entre deux filtres polarisants croisés, ils sont obscurs et Goethe les qualifierait de milieu trouble. Plongées en immersion dans un liquide de même indice, comme la glycérine, ce ne sont que les inclusions qui manifestent leur présence dans un halo coloré par les microparticules prises en suspension dans les gels de silice originels. Ces particules sont le plus souvent des oxydes de fer, comme nous allons le voir avec les opales.

Les opales ne font pas exception et possèdent aussi plusieurs degrés de cristallinité. D’origine volcanique ou sédimentaire, elles sont constituées de microsphères de silice colloïdales de tailles identiques, parfois différentes, disposées en rangées bien alignées ou en désordre. Ces pseudo arrangements cristallins leur confèrent leurs jeux de lumières multicolores par diffraction de la lumière de longueurs d’ondes proportionnelles à la taille des sphères, c’est-à-dire d’une vingtaine à plusieurs centaines de nanomètres. Nous redécouvrons le spectre de la lumière au travers un réseau diffractant, de l’ultra violet au rouge sombre.

Exemple de couleur pseudo chromatique faite par diffraction dans une opale d’Australie et une opale du Brésil. On distingue dans la seconde l’alignement en forme de bandes qui induisit en erreur les premiers minéralogistes ayant interprété le phénomène lumineux, et qui l’attribuait à de fines lamelles.

On classe les opales en plusieurs groupes ; les opales -A sédimentaires et amorphes qui on une bande de diffraction diffuse comme les diatomites, les opales –AN formées d’un réseau amorphes, sous forme d’hyalite, volcaniques formées par remplissages des fissures et des cavités des roches, les opales -AG, gel amorphe inclus d’opale précieuse, incluant les geysérites formées par dépôts de solutions siliceuses chaudes, enfin les opales -CT , d’origine volcanique formées par dépôt d’une phase vapeur, contiennent des parties cristallisées, on y retrouve le quartz α, la cristobalite α et la tridimite.

Les opales sont donc des gels amorphes, mais peuvent donc aussi être uniaxe négatif ( opales –C), leur indice de réfraction varie entre 1,435 et 1,460. La biréfringence est faible pour les opales uniaxes (opales –CT ou -C).

Opale volcanique d’Ethiopie absorbant en 20 mn, 60% de son poids en eau.

Pesée sèche = 0,38 g

Pesée mouillée 20 mn = 0,59 g

Quantité d’eau absorbée 0,21 g.

Poids dans l’eau …tjs le même = 0,20 g

On obtient deux densités

Pesée sèche = 0,38 g d = 2,111

Pesée mouillée 20 mn = 0,59 g d = 1,513

plus lourde mouillée mais densité moins élevée.

L’opale du Mexique en comparaison :

Poids = 1,02 g dans l’eau = 0,56 g d = 2,217

Cette opale absorbe peu et en plus longtemps.

L’âge moyen de la formation est de 28 Ma. On les trouve en nodules de 5 à 15 cm de diamètre, à une altitude de 2000 m, ils témoignent des éruptions volcaniques qui ont suivi la formation du Rift africain et la collision de la plaque indienne avec la plaque asiatique pendant la dérive des continents qui commença il y a 40 Ma. La roche enrobant ces nodules est une rhyolite vitrifiée déjà mentionnée, la perlite. Elle est de couleur verdâtre car mélangée de nombreuses particules argileuses résultant de son altération.

Les opales du Mexique, d’origine volcanique, elles aussi, sont au regard des spectres Raman édités par Ostroomov en 1999, très proches pour la composition, de celles d’Ethiopie.

On observe des parentés sur la tridimite et la cristobalite, ainsi que sur la silice, le quartz α et l’eau, avec un léger décalage vers les nombres d’onde plus élevés pour l’opale du Mexique.

Ces analyses témoignent de températures de formation de l’ordre de 272 à 120 °C, celle de la cristobalite α déjà mentionnée et quadratique. Ce qui confère à certaines opales – opales type C, un caractère optique uniaxe négatif cependant assez rare. La structure de ces l’opales construite à partir de lépisphères visibles uniquement au microscope électronique à un grossissement de 10 à 50 000 x, est suffisamment désordonnée pour qu’il soit bien question d’un matériau amorphe et isotrope.

Aperçu de la porosité de la roche mère pour l’opale de feu du Mexique.

Aspect macroscopique de la sédimentation de l’opale de feu du Mexique. Cet aspect, obtenu par moulage dans l’encaissant, est très comparable aux images obtenues au MEB avant le grossissement de 5 000 x et représente un dépôt longitudinal et stratifié.

Avec les opales sédimentaires de type AG et A, le gel de silice est composé de microsphères juxtaposées les unes aux autres et forment un réseau diffractant. Leur teneur en eau est de 4 à 8 % pour les opales AG et jusqu’à 12 % pour les opales A. Cette eau se trouve aussi bien dans la structure des microsphères que dans les interstices laissés par leur arrangement plus ou moins régulier. Les opales d’Australie aux feux multicolores sont les plus nombreuses, mais d’autres gisements existent aux Etats-Unis (Californie, Nevada, Oregon ) ainsi qu’au Mexique, au Honduras et en Europe centrale (République tchèque, Slovaquie et Hongrie). Ces opales sédimentaires proviennent de la solidification progressive à basse température du gel de silice colloïdal qui lui-même est issu le plus souvent de l’altération des roches volcaniques. On a longtemps pensé que ces dépôts pouvaient être très longs et s’étaler sur des milliers d’années, mais des expériences récentes ont montré que la transformation de l’opale pouvait ne prendre qu’une vingtaine d’années.

Ainsi de nombreux organismes et végétaux enfouis dans le sol se sont vus transformés en opale. Os de dinosaures, os et dents de requin, brachiopodes et ammonites, tortues, serpents coraux ainsi que de nombreuses variétés de bois, se trouvent de par le monde sous forme d’opales.

Mais encore, des organismes unicellulaires semblent avoir parfaitement maîtrisé le processus chimique, puisque leur squelette sous forme de frustules est composé d’opale A biogénique, ce sont les diatomées. Leur prolifération est importante ces derniers cinquante milliers d’années, mais des dépôts de diatomite d’une épaisseur de 500m ont été relevés dans certains bassins californiens datant du Miocène-Pliocène, c’est-à-dire 6 millions d’années.

Certaines espèces radiales sont connues depuis le jurassique ( – 185 Ma), alors que d’autres, pennées, à symétries bilatérales n’apparaissent qu’au début du tertiaire. Il est difficile d’évaluer le nombre d’espèces compris entre 5 000 et 10 000, certains auteurs annoncent 100 000 ou plus encore.

Un petit échantillonnage de la grande diversité des diatomées.

Les diatomées sont des algues unicellulaires et photosynthétiques. Pour vivre, se reproduire et assurer leur survie dans des environnements défavorables, elles synthétisent la silice océanique, ou continentale, en opale de type A pour construire leur squelette. On démontre que ce squelette évolue avec le temps et les conditions rencontrées par les organismes dans leurs différents milieux, pollutions métaux lourds, déchets organiques. De nouvelles espèces sont reconnues chaque année par des laboratoires qui utilisent la présence de ces diatomées pour évaluer la qualité des eaux fluviales ou océaniques.

Le travail qu’effectue la cellule par photosynthèse est assuré par les chloroplastes, granules contenant des chlorophylles a et c. Par la présence de pigments tels les carotènes, ils peuvent avoir plusieurs couleurs comme le jaune, le vert olive ou le brun.

La cellule est constituée d’une membrane dans laquelle on trouve le noyau central entouré du cytoplasme contenant chondriome, appareil de Golgi, gouttelettes lipidiques, deux plastes jaunes séparés par une couche mince cytoplasmique, deux grandes vacuoles incolores et deux vacuoles spécialisées, symétriques et de tailles variables ayant un contenu dense et réfringent, la chrysolaminarine. Des mécanismes physiologiques influent sur le métabolisme : échange sélectif des ions ( les ions chlorure et potassium sont plus légers que les ions sulfate et magnésium) et la production de mucus fuligineux dont la densité est plus faible que celui de la cellule, elle peuvent ainsi se déplacer avec des rythmes journaliers ou saisonnier dans des profondeurs qui varies entre 3 et 40 m, afin de moduler l’apport de lumière qui ne doit pas être trop important. Leur présence est aussi corrélée aux variations de pH de leur environnement. Elles vivent de préférence dans les eaux froides riches en éléments minéraux issus des profondeurs.

L’activité photosynthétique des diatomées réduit le CO2 présent dans l’atmosphère et produit de l’oxygène dans l’eau d’une façon très significative pour la biosphère de notre planète.

à suivre…

Vers la galerie photos “Opales violettes du Brésil”

2 réponses à to “L’état cristallin et la lumière”