Cette année…cristaux pour tous !

cristallographie pour enfants

2014 a été déclarée année internationale de la cristallographie par l’UNESCO. La Fête de la science qui se déroule chaque année en France a, évidemment, le même thème. Comment animer des activités pour enfants, jeunes et adultes sur la cristallographie ?

Le choix de l’UNESCO est justifiée par le croissant intérêt, surtout pour ce qui concerne l’importance des applications, de cette discipline trop peu connue.

Commençons  par comprendre les grands traits : qu’est-ce que c’est un cristal et comment il se forme, avec des exemples et des activités pratiques.

Comment se forme un cristal ?

La première chose qui me vient à l’esprit, et qui est un grand classique, est de créer des cristaux “fait maison” avec des matériaux de tous les jours pour voir comment ils se forment et les observer de près (si possible avec une loupe binoculaire ou au moins avec une loupe normale).

Étant donné qu’un cristal de sel ou de sucre met quelques jours à se former, la cristallisation n’est pas très intéressante comme expérience si l’activité avec le public dure une heure/une heure et demie. Par contre c’est intéressant dans une classe où les élèves peuvent voir la progression jour après jour.

Mais comment se forme un cristal ? Il existe différentes modalités, mais la plus facile à expliquer et à observer en un temps non géologique est la précipitation. Le concept est simple : une solution sursaturée de soluté le fait précipiter sous forme de cristal. Par exemple une solution contenant entre 250 g et 350 g de sel de cuisine dissous dans 1 litre d’eau bouillante cristallise en deux ou trois jours si on en met une couche fine dans une assiette plate ou une boîte de Pétri (voir photo). Si on plonge un fil dans la même solution, les cristaux vont se superposer en formant une espèce de cordelette de cristaux, mais il faudra plusieurs semaines.

Solution sursaturée de di NaCl
Solution sursaturée de di NaCl

Et voilà le résultat.

Cristaux cubiques de sel de cuisine
Cristaux cubiques de sel de cuisine
cordelette de cristaux
Cordelette de cristaux
cristaux de sel colorant alimentaire
Pour faire plus joli on peut mettre un peu de colorant alimentaire.

cristaux de sel colorant alimentaire

fabriquer des cristaux de sel

La cristallisation d’une solution de sucre (saccharose) est beaucoup plus lente. On peut en outre observer que les cristaux de sel sont cubiques et ceux de sucre non. Ça devrait soulever des questions et stimuler la curiosité.

Cristaux de sel et sucre

Pourquoi les cristaux ont des formes géométriques ?

Pour connaître nous utilisons les sens. Depuis l’antiquité les hommes sont attirés par les cristaux parce que ils sont agréables à voir. Mais pourquoi sont-ils beaux ? Nous aimons les cristaux parce que ils sont colorés, translucides, brillants mais surtout parce qu’ils ont des précises formes géométriques. Montrer explicitement la correspondance entre la forme des cristaux et des maquettes tridimensionnelles de solides peut donner une clé de lecture ou du moins suggérer un regard différent.

Model cubique : la pirite
Cube : la pyrite
Model à rhomboèdre : la calcite
Rhomboèdre : la calcite
Modello a piramide: il quarzo
Pyramide: le quartz

Comment ça se fait que les cristaux ont ces formes régulières ?Pour chercher une réponse il faut rechercher la relation entre la forme extérieure et la structure intérieure.

Les atomes, les molécules ou les ions (les petites parties qui composent le cristal) n’occupent pas des positions au hasard mais ils sont organisés de manière parfaitement ordonnée et périodique dans l’espace qui détermine des figures géométriques à niveau macroscopique.

Un peu comme les petites boules de cette photo qui occupent des positions ordonnées et qui forment, selon le cas, un parallélépipède ou une pyramide.

Empilement de sphères
Empilement de sphères

La position des atomes est déterminée par la nature chimique du cristal (distance entre les atomes, type de lien, charge électrique, géométrie moléculaire, etc.) et aussi par l’exigence de compacité de la structure formée. Les atomes se positionnent de façon à occuper le moindre espace possible et à occuper les interstices.

Une structure très compacte est la pyramide. C’est pour ça qu’on retrouve cette structure sur les stands des maraîchers et dans les dépôts de boulets de canon.

empilement de sphères: balles de canon

empilement d'oranges
Photo de Francesco Gasparetti

Naturellement le sujet est bien plus complexe, Je n’ai pas la prétention de donner une explication exhaustive. Qui veut peut approfondir avec des activités sur la géométrie et les maths (par ex. parler des nombres pyramidaux). D’après mon expérience je peux dire que la construction de la pyramide plaît beaucoup !

Il n’existe pas que des cristaux qui ont une belle forme géométrique et des faces lisses et brillantes. D’autres cristaux sont comme des petits grains de sable mélangés ensemble. Ça arrive parce que ils n’ont pas eu l’espace pour s’accroître mais ils se sont superposés les uns aux autres en empêchant le développement d’une belle forme.

Il existe en outre des solides non cristallins, c’est à dire des solides où les atomes n’ont pas des positions ordonnées, par exemple le verre et certains types de plastique. Parfois ces substances ne sont pas considérées comme des solides mais plutôt comme des liquides avec une viscosité très élevée.

On peut affirmer qu’un cristal est une formation solide, mais je préfère la définition de cristal comme un état de la matière. Ça introduit le concept que même des “objets” qui normalement ne sont pas solides (comme les protéines, l’ADN, etc.) peuvent être cristallisés sous certaines conditions.

Et c’est ça qui a rendu possible l’utilisation des techniques de cristallographie pour l’étude de la biologie. Parce que la cristallographie n’est pas seulement l’étude des cristaux, mais également une technique qui permet, grâce à la diffraction des rayons X à travers une substance cristallisée, de remonter à la structure moléculaire de la substance analysée.

On irradie un cristal avec des rayons X et on regarde comment ceux-ci se diffractent (passent à travers et sont déviés) sur une plaque photographique. À l’inverse, on peut partir par le résultat obtenu par la diffraction d’une substance cristallisée sur la plaque pour en déduire sa structure.

Schéma de diffraction de rayons X
Schéma de diffraction de rayons X

Cette année c’est le centenaire de cette découverte considérée à présent l’outil le plus puissant pour l’étude de la structure de la matière. Vingt-trois prix Nobel liés à la cristallographie ont déjà été assignés. Par exemple celui du 1962 attribué à Watson, Crick et Wilkins pour la découverte de la structure à double hélice de l’ADN, avec la contribution fondamentale de Rosalind Franklin, sous forme d’une photographie réalisée avec la techniques de la cristallographie à rayons X. Je parlerai de Rosalind Franklin dans un autre article.

En résumant: les explications sur la cristallographie à rayons X je les utiliserais avec un public pas trop jeunes; pour ce qui concerne les activités pratiques (que j’ai testées à partir de 8 ans) on peut faire pousser et observer des cristaux de sel et de sucre, toucher (et peser, et sentir !) des minéraux et les regarder à la loupe binoculaire, construire des maquettes de cristaux avec plusieurs matériaux et, pourquoi pas, fabriquer quelques paper toy en forme de cristaux comme ceux dans la photo en bas.

Amusez-vous bien et bonne année de la cristallographie !

Paper toys cristaux en papier

Paper toys

Pour aller plus loin

Patrons à télécharger pour les paper toys

Si vous voulez essayer la recette des sucettes cristallines (moi je n’ai pas eu des bons résultats mais je dois re-essayer…) cliquer ici

Un peu d’info

en français

http://www.aicr2014.fr/index.php/pourquoi-l-annee-cristallo

http://www.kasuku.ch/pdf/cristallographie/cristallographie.pdf

http://kidiscience.cafe-sciences.org/articles/experience-a-la-maison-comment-faire-pousser-du-sel/

en italien

http://www.uniroma2.it/didattica/STM_ENE/deposito/Lezione__2_struttura_cristallina._pptx.pdf

https://sites.google.com/site/cristallografia/

http://www.chimicamo.org/chimica-generale/solidi-molecolari-e-loro-struttura.html

 

 

2 réflexions sur « Cette année…cristaux pour tous ! »

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *