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Bases de la cristallographie par Mara - id 65041

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Bases de la cristallographie

par Mara – id 65041

Sommaire
I. Introduction.........................................................p2
II. Rappel des principaux changements d'état.......p3
III. Définition de la cristallographie.......................p5
IV. Observation par diffraction aux rayons X......p10
V. Méthode de préparation d'une diffraction par rayons X.................................................................p12
VI. La couleur des cristaux...................................p13
VII. Définition de la cristallogenèse.....................p15
VIII. Hypothèses sur le processus de cristallisation du farin..................................................................p17
IX. Techniques de fabrication d'un cristal...........p20
Bibliographie.......................................................p23
Glossaire..............................................................p25
I. Introduction
Ce livre est un ouvrage destiné à l'étude des cristaux et de leurs propriétés.
Il expose également quelques méthodes d'étude, d'observation et de fabrication de cristaux.
Je m'appelle Mara, je suis l'auteure de plusieurs publications d'intérêt scientifiques que vous trouverez dans la section "Bibliographie" page 21.
J'exerce le métier de contrôleuse qualité de kits pour le technopole La Tech', de prospectrice et j'ai récemment intégré le Quarere Imperialis en tant que chercheuse spécialisée en électronique et en optique.
Un grand merci à Novae pour avoir relu et corrigé ce livre.
Mara, le 4/342.3
II. Rappel des principaux changements d'état de la matière.
En thermodynamique, le changement d'état de la matière est nommé "transition de phase".
Les trois principaux états de la manière connus que nous évoquerons pour ce rappel sont: gazeux, liquide et solide.
Le passage d'un état solide à gazeux est appelé la sublimation.
De solide à liquide c'est la fusion!
De gazeux à un état solide c'est la condensation solide, déposition ou encore la sublimation inverse.
De gazeux à liquide c'est la condensation liquide ou liquéfaction.
De liquide à gazeux il s'agit de vaporisation, par ébullition ou évaporation.
De liquide à solide on parle de solidification.
Vous trouverez à cette adresse un schéma récapitulatif:
https://imgur.com/lLZp7BZ
III. Définition de la cristallographie et sa pratique
La cristallographie est la science qui étudie les cristaux, notamment à l'échelle atomique. Elle est pratiquée par les minéralogistes.
Le cristal est un solide homogène présentant une structure atomique ordonnée et définie ainsi qu'une forme extérieure limitée par des faces.
Cette forme est appelée forme cristalline.
L'observation d'un cristal à l'échelle atomique se fait grâce à un microscope, un instrument, un appareil ou une machine capable d'observer à l'échelle microscopique la structure de la matière.
La cristallographie s'intéresse principalement à la structure du cristal - appelée également structure cristalline - c'est-à-dire à la façon dont sont disposés les atomes qui composent cette structure et se répètent périodiquement dans celle-ci.
L'arrangement spatial de ces atomes et la façon dont ils se répètent dans la structure cristalline a un lien direct avec les propriétés physico-chimiques du cristal, ainsi que sa dureté.
L'ensemble des symétries d'une structure cristalline forme un groupe d'espace.
Il en existe deux cent trente types différents répartis dans sept systèmes symétriques: le système monoclinique, triclinique, trigonal orthorhombique, quadratique ou tétragonal, hexagonal et cubique.
L'identification d'une structure cristalline symétrique, afin de déterminer son groupe d'espace, se fait de deux façons:
  • par l'observation du modèle atomique du cristal, le long de ses directions de symétrie.
Toutefois cette méthode ne permet d'identifier que les cristaux déjà connus.
  • par la diffraction de rayons X, de neutrons ou d'électrons, c'est-à-dire en créant une interaction rayonnement-matières avec la structure cristalline.
Les cristaux métalliques étant opaques à la lumière, l'une des façons d'étudier leur réflexion est l'emploi des rayons X par diffraction.
La diffraction est le comportement du rayonnement lorsqu'il traverse un obstacle ou une ouverture.
La diffusion de ce rayonnement dans le cristal permet de mettre en évidence sa structure, en fonction de la longueur d'onde du rayonnement.
Tous les cristaux connus ont un indice de réfraction anisotrope.
C'est-à-dire que leur orientation influence la façon dont la lumière les traverse.
Il existe cependant des cristaux cubiques qui sont isotropes, c'est-à-dire que quelle que soit la direction d'observation l'intensité lumineuse perçue à travers l'objet par l'observateur sera la même.
La dureté du cristal, c'est-à-dire sa résistance mécanique à la pénétration, est dépendante de sa structure ainsi que de son orientation par rapport à la force exercée.
Les équipements de protection en cristal, comme les casques, les épaulettes et les armures, utilisent les propriétés du cristal, dont ils sont en partie composés.
Cela permet de limiter les effets de pénétration, en optimisant la disposition de la structure cristalline sur l'objet.
Cette optimisation doit être effectuée en fonction du point à protéger, en sélectionnant une structure cristalline adéquate.
L'opération pour fabriquer une protection de ce genre est chère: il faut utiliser des techniques capables de réaliser des gravures dans la matière de l'ordre du nanomètre et d'insuffler le cristal liquide à l'intérieur de ces soudures.
La surface de l'armure, cristallisée de la bonne manière, assure ainsi une meilleure protection face aux forces mécaniques de pénétration: les projectiles perforants et les frappes d'estoc.
IV. Observation par diffraction aux rayons X
La technique qui consiste à étudier un cristal à l'aide de la diffraction des rayons X est appelée radiocristallographie.
L'appareil électronique qui réalise cette opération est appelé diffractomètre, les données collectées forment le diffractogramme.
Pour un cristal, la distance entre deux plans est de l'ordre de la distance entre les atomes, c'est-à-dire 1/10 de milliardième de mètre.
Alors, seul un rayonnement dont la longueur d'onde est très courte peut permettre sa diffraction.
Cette condition peut être réalisée par les rayons X. Ils permettent de sonder la matière.
Lorsque l'on éclaire un cristal avec les rayons X dans une orientation particulière, le rayonnement n'est diffracté que dans des directions propres au caractère du cristal: on obtient des clichés dits « de diffraction » ; un réseau de taches lumineuses qui a les mêmes symétries que le cristal.
De ces clichés de diffraction il est possible de déterminer la structure cristalline et de distinguer la présence de silices, aciers, alliages et alumines présents dans le cristal.
V. Méthode de préparation d'une diffraction par rayons X.
On prépare l'échantillon sous la forme d'une poudre aplanie dans une coupelle, ou bien sous la forme d'une plaquette solide plate.
On envoie des rayons X sur cet échantillon, et un détecteur fait le tour de l'échantillon pour mesurer l'intensité des rayons X selon la direction.
Pour des raisons pratiques, on fait tourner l'échantillon en même temps, ou éventuellement on fait tourner le tube produisant les rayons X.
Les rayons X sont des radiations ionisantes, une exposition prolongée peut entraîner des brûlures et des cancers. Vérifiez vos équipements et votre matériel!
VI. La couleur des cristaux.
La couleur d'un cristal permet également son identification.
Les causes de coloration sont multiples et connues: ce sont le comportement des électrons célibataires, l'un des composants de l'atome et qui de facto est seul dans l'orbitale atomique ; et la façon dont ils interagissent avec la lumière.
Dans la plupart des cristaux la couleur provient de l'absorption sélective de la lumière blanche, dans certains cas plus rares ce sont des effets d'optique qui créent la couleur.
Voici cinq causes connues qui expliquent la couleur des cristaux:
  • la coloration idiochromatique, qui est produite par la présence de certains éléments métalliques en grande quantité comme le titane, le chrome, le fer, le cobalt, le nickel, le cuivre, le manganèse et le vanadium.
  • la coloration allochromatique, qui est produite lorsque ces mêmes éléments sont présents en très petite quantité.
Il s'agit d'impuretés présentes à l'état de traces dans le cristal.
Il peut alors avoir plusieurs couleurs différentes en fonction des caractéristiques de ces impuretés.
  • la coloration pseudochromatique, due à des phénomènes optiques de dispersion, interférence ou diffraction de la lumière à cause des propriétés mêmes du cristal et de son interaction avec la lumière.
  • la coloration due à la présence de centres colorés dans le cristal. Il s'agit de défauts de la structure même du cristal, générés par une irradiation naturelle ou artificielle.
  • la coloration due aux phénomènes de transferts de charge, qui sont produits lorsqu'un électron passe d'un atome à l'autre.
VII. Définition de la cristallogenèse
La cristallogenèse est le processus de formation d'un cristal dans un milieu naturel ou de façon synthétique. Son aboutissement est la cristallisation, c'est-à-dire le passage d'un état désordonné liquide, gazeux ou solide à un état ordonné solide.
L'exemple que nous connaissons tous est le rejet du gaz farin dans l'atmosphère, due à notre activité industrielle et consommatrice en énergie.
La matière peut se cristalliser naturellement dans les souterrains, tout comme sa condensation solide peut être provoquée en surface grâce à des appareils qui vont filtrer la matière présente dans l'air.
La matière devenue solide sera alors stockable.
Les neuvopacks fonctionnent de cette façon: il filtre l'air, condense le farin qui s'y trouve et conserve son état solide jusqu'à éjection soit de la cartouche pleine, soit dans le réservoir approprié.
Une cartouche pleine de cristaux farin est appelée « condensé farin » car elle est le résultat du processus de condensation solide du gaz farin dans l'air.
VIII. Hypothèses sur le processus de cristallisation du farin
Le processus de cristallisation du farin, de façon naturelle, dans les souterrains qui relient le secteur Marran au secteur Orion, n'est pas connu. Cependant il existe plusieurs hypothèses à cela:
  • Le farin rencontrerait un autre gaz concentré localement dans son environnement et se cristalliserait en contact avec celui-ci.
La façon dont le gaz se concentrerait est inconnue, mais l'hypothèse d'un rejet naturel local est théoriquement valable: DreadCast fut construite au fond d'une cuvette et il n'aura pas échappé aux Bâtisseurs que les pluviomètres sont toujours au plus haut dans cette région de Kepler.
En plus du système d'évacuation construit par les Bâtisseurs, DreadCast compte probablement sur la formation de plaques poreuses sous ses fondations pour évacuer l'eau de pluie.
Elles pourraient permettre le passage de matières à l'état gazeux.
Une autre hypothèse du même ordre serait que cette concentration de gaz ne provienne pas d'un puits, mais d'une fuite de notre propre activité industrielle.
  • Le farin, du fait de son déplacement dans les souterrains par des effets de courant d'air, se chargerait en énergie.
De cette charge se produirait l'effet de cristallisation lorsqu'une quantité importante de farin chargés retombe sur le sol.
  • Le farin réagit à la propagation cyclique d'une onde. Cette onde provoquerait une réaction de cristallisation du farin concentré localement. Cette hypothèse pourrait expliquer la cristallisation soudaine à intervalles réguliers. Elle pourrait être d'origine naturelle ou être la conséquence de notre activité industrielle.
Pour le moment ce que nous pensons est que l'intensité de notre activité industrielle détermine la quantité de farin rejeté dans l'atmosphère et les souterrains, que plus cette activité est faible moins on trouve de farin et que plus l'activité est forte plus on trouve de farin.
Nous supposons également que ce n'est pas un modèle pour créer de l'énergie, mais un modèle cyclique où nous avons l'opportunité de récupérer l'énergie qui a été consommée par nos activités de la veille.
De ces suppositions nous pouvons émettre deux hypothèses réalistes:
  • le gaz farin est rejeté à cause d'un processus industriel qui fonctionne mal, comme une fuite dans le réseau de distribution.
  • le gaz farin est rejeté grâce à un processus industriel fonctionnel, pour des raisons qui sont liées aux propriétés du farin et que nous ne connaissons pas encore.
IX. Techniques de fabrication d'un cristal
La fabrication d'un cristal dépend de plusieurs facteurs: la température, la pression ou encore le temps d'évaporation.
Les substances minérales et les petites molécules organiques cristallisent facilement ; les cristaux sont de bonne qualité et ne présentent pas de défaut.
Voici deux de ces techniques:
  • la technique verticale: les matériaux à faire croître sont placés dans une ampoule scellée. Elle est chauffée avec un gradiant de température vertical, c'est-à-dire qu'il va chauffer l'ampoule de sorte à maintenir le haut à l'état solide et le bas à l'état liquide.
L'ampoule est alors tirée très lentement de la zone chaude vers la zone froide, ce qui va provoquer la cristallisation.
Une fois le processus terminé il faut briser l'ampoule pour récupérer le cristal.
Voici deux de ces techniques.
a) La technique verticale:
Les matériaux à faire croître sont placés dans une ampoule scellée. Elle est chauffée avec un gradiant de température vertical, c'est-à-dire qu'il va chauffer l'ampoule de sorte à maintenir le haut à l'état solide et le bas à l'état liquide.
L'ampoule est alors tirée très lentement de la zone chaude vers la zone froide, ce qui va provoquer la cristallisation.
Une fois le processus terminé il faut briser l'ampoule pour récupérer le cristal.
Cette technique nécessite de grande connaissance en thermodynamique.
En effet, il faut connaître la nature et les échanges d'énergie entre les éléments du système, le matériau en fusion, le cristal solidifié, l'ampoule, les éléments chauffants, les isolants, etc. Afin de régler le gradient de température précisément et d'adapter la vitesse de tirage.
Réaliser cette opération par soi-même est digne des maîtres synthétiseurs-cristalliers, c'est pourquoi elle est principalement menée de façon industrielle par des machines spécialisées.
b) La technique de solidification par germe cristallin:
Le germe cristallin est maintenu au-dessus de silicium dopé en fusion, placé à l'intérieur d'un moule.
Le liquide en fusion se solidifiera petit à petit sur le germe au fur et à mesure qu'il sera tiré vers le haut tout en le faisant tourner à vitesse très lente.
X. Bibliographie
Concernant mes ouvrages vous pouvez consulter:
« Les bases de l'électronique », terminé et publié le 1/305.2 à cette adresse:
https://www.dreadcast.net/EDC/65041/Article=30253
Un ouvrage accessible pour les électroniciens amateurs.
« Composants & Prototypage », terminé le 1/305.2, publié par l'université Impériale depuis le 6/306.3 et publié par mes soins depuis le 2/341.1 à cette adresse:
https://www.dreadcast.net/EDC/65041/Article=35623
Un ouvrage accessible pour les électroniciens éclairés qui cherchent à connaître les façons de pratiquer le prototypage en électronique.
« Rétro-ingénierie: Les grands principes », terminé et publié le 6/341.3 à cette adresse:
https://www.dreadcast.net/EDC/65041/Article=35672
Un ouvrage qui présente la rétro-ingénierie en tant que concept scientifique et commente un certain nombre de travaux de compréhension en employant les méthodes de la rétro-ingénierie, que ce soit dans le domaine de la mécanique, de l'électronique ou encore de l'informatique.
« Techniques de mécanique industrielle », terminé et publié le 7/342.2 à cette adresse:
https://www.dreadcast.net/EDC/65041/Article=35776
Un ouvrage qui présente les techniques de mécanique industrielle. Il fait le tour des procédés de fabrication et d'assemblage de pièces les plus courants.
XII. GLOSSAIRE : (par ordre alphabétique)
Cristallite: très petit cristal.
Défaut: on dit d'un cristal qu'il a un défaut cristallin lorsqu'il y a une interruption de la périodicité du cristal.
Diffraction: le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle ou une ouverture, sa manifestation est constatée par des phénomènes d'interférence.
Homogène: dont les éléments sont de même nature ou répartis de façon uniforme.
Minéralogie: la science qui étudie la composition chimique et les propriétés physiques des minéraux et de leur formation.
Opaque: état particulier d'une matière dite absorbante. Elle absorbe la lumière qui la traverse, c'est-à-dire qu'elle ne reflète pas la lumière et elle ne la transmet pas non plus.
Pore: cavité présente dans un cristal, elle est considérée comme un défaut volumique. La cavité peut être vide ou contenir un gaz.
Prospection: l'activité qui consiste à rechercher sur le terrain des minéraux, dont font partie les cristaux.
Périodique: qui se reproduit à intervalles fixes.
Réflexion: en optique la part de lumière qui n'est ni absorbée, ni transmise, par un matériau est réfléchie. C'est-à-dire que la lumière qui rencontrera le matériau changera de direction et la direction de propagation de l'onde lumineuse.
Semi-conducteur: matériau dont la conductivité électrique est entre celles des métaux et des isolants.
Stratification: disposition en couches superposées.
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Novae, Novae~74960

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