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LES STRUCTURES DE LA MATIÈRE ORDRE ET SYMÉTRIES DANS LES ASSEMBLAGES ATOMIQUES

LES STRUCTURES DE LA MATIÈRE ORDRE ET SYMÉTRIES DANS LES ASSEMBLAGES ATOMIQUES Cristaux Cristaux liquides Macromolécules Alain Boudet Dr en Sciences Physiques www.spirit-science.fr 2020 Table des matières Résumé et introduction Cristaux et Géométrie cristalline • Minéraux et pierres précieuses • Transparence cristalline • Les formes géométriques des cristaux • La géométrie des mailles atomiques • La géométrie des réseaux cristallins • La cellule polyédrique symétrique • Les cristaux à symétrie 5 et le nombre d'or • Cristaux apériodiques • Formation des cristaux - la cristallisation • Agglomération de cristaux • Structure amorphe et vitreuse • Ordre et désordre Compléments • Diamant et graphite • Quartz, silice et silicium Cristaux liquides et cristaux plastiques • Cristaux et liquides • Ordre et désordre moléculaire • Un nouvel état entre amorphe et cristal • Formes des molécules • Mobilité des molécules • Nématique, ordre d'orientation • Smectiques, structure en couches • Savons: doubles couches • Condensation et rupture de symétries • Structure des molécules • Cholestériques: disposition en hélice • Cristaux plastiques Compléments • Affchage par cristaux liquides (LCD) Polymères, structures et propriétés • Rencontre avec les polymères • Leurs propriétés • Propriétés thermiques • Propriétés mécaniques • Autres propriétés • Les molécules des polymères • Les microstructures des polymères seuls • Structures amorphes • Structures semi-cristallines • Les fbres • Les polymères cristaux-liquides • Les microstructures des polymères associés • Les additifs • Les mousses de polymères • Les composites • Les mélanges de polymères • Les copolymères Annexes • Remplir l'espace en empilant des polyèdres • Décrire une réalité dans un super- espace • En savoir plus Résumé Géométrie cristalline et quasicristalline: Le diamant et le quartz sont des cristaux typiques par leur transparence pure et leurs formes géométriques. La géométrie extérieure est la manifestation d'une géométrie intérieure. Les cristaux sont construits par l'empilement ordonné périodique de petites briques atomiques élémentaires, les mailles. Lorsque cet ordre fait défaut, la matière est dite amorphe ou vitreuse. La cristallisation est une transformation extraordinaire qui fait passer du désordre liquide à l'ordre compact. Les roches, et toute matière y compris les matériaux industriels (métaux, silicium, polymères), contiennent des domaines cristallins et amorphes. Récemment on a reconnu l'existence de domaines cristallins aux géométries plus complexes (les quasi-cristaux), dont la périodicité n'est détectable que dans un espace à dimension supérieure. Cristaux liquides et cristaux plastiques Les cristaux liquides sont des substances qui lorsqu'on les chauffe, passent par des structures intermédiaires entre le cristal à réseau périodique bien ordonné dans trois directions et le liquide complètement désordonné. Dans ces états, ils tiennent à la fois du liquide et du cristal. Ces structures résultent de la forme non-sphérique de leurs molécules qui s'empilent comme des allumettes, des assiettes, les cartes d'un jeu de cartes ou encore des hélices. Ce sont ces mêmes cristaux liquides qui se cachent dans les écrans numériques sous le sigle LCD. Les cristaux plastiques ont par contre des molécules quasi-sphériques et ils représentent une autre façon d'inventer un ordre intermédiaire, dû à la mobilité rotationnelle de leurs molécules. Polymères: Le plus souvent synthétiques, quelquefois naturelles, les matières plastiques doivent leur essor à leur large gamme de caractéristiques, dures, molles ou élastiques, transparentes ou opaques, isolantes et quelquefois conductrices, plus ou moins résistantes aux conditions agressives de leur usage, toujours légères. C'est la nature particulière de leurs molécules en forme de chaine, ainsi que la variété des modes d'assemblage qu'elles adoptent, qui est à l'origine de cette diversité. Annexe Les cristaux fournissent des exemples de la façon dont l'espace peut être pavé par des polyèdres tels que cube, octaèdre, dodécaèdre. La matière ! Elle est omniprésente dans notre vie, que ce soit dans notre environnement naturel ou dans les objets fabriqués que nous utilisons quotidiennement. C'est elle qui donne la forme aux choses. Meubles et immeubles, ustensiles en métal, en plastique, en bois ou en terre, téléphones et appareils électriques, ingrédients de notre nourriture, farines, pâtes, produits d'entretien, substance des organismes vivants végétaux ou animaux, etc.. Quelle variété de consistance, d'aspect, de sensibilité, de couleurs, d'usage ! Cette variété de caractéristiques de la matière s'explique par sa structure atomique, et ceci à deux niveaux. D'une part par la nature des atomes et molécules qui la constitue. D'autre part par la façon dont ces atomes sont assemblés. C'est ce second aspect que nous étudions dans ce livre numérique. Il est fait de la réunion de 3 articles rédigés entre 2005 (polymères) et 2011 (cristaux liquides). Nous découvrirons que les cristaux sont caractérisés par un empilement atomique très ordonné, contrairement aux liquides et aux verres. Les cristaux liquides présentent un ordre intermédiaire, semblable au cristal dans un sens, et semblable au liquide dans un autre sens. Cela est dû à la forme de leurs molécules. Quant aux polymères, leurs caractéristiques résultent de la grande longueur de leurs molécules (macromolécules) dont les assemblages prennent des aspects spécifques. Nous ne pouvons que nous émerveiller de l'intelligence de la nature, dont les forces fondamentales conduisent à ces étonnants assemblages moléculaires. Ce livre vise à révéler la beauté, la précision et l'intelligence des formes géométriques des assemblages atomiques de la matière. Cristaux et Géométrie cristalline Vous voulez en savoir plus sur les cristaux, mais vous en avez déjà une idée. Alors, à votre avis, qu'est-ce qu'un cristal? Au fond, le savez-vous? Que répondriez-vous à un enfant qui vous le demande? Ce mot vous fait-il penser à la vaisselle de luxe de grand-mère, aux magnifques minéraux de la terre, ou encore à une construction atomique géométrique? La notion de cristal renvoie à différents sens. Le but de ce chapitre est donc de brosser un panorama des caractéristiques des cristaux dans leurs différents aspects. Mais ce panorama n'a de sens que parce qu'il invite à révéler la beauté, la précision et l'intelligence des constructions cristallines. Nous constaterons aussi que les cristaux sont omniprésents comme matière ou comme éléments technologiques dans notre environnement, souvent inaperçus. Minéraux et pierres précieuses Votre premier contact avec les cristaux a peut-être été d'admirer la vitrine d'un marchand de cristaux, de les observer et de les toucher. Il vend des minéraux, des gemmes, des pierres précieuses et des cristaux, 4 noms qui désignent des objets proches mais pas tout-à-fait identiques. Le terme minéral décrit un élément de l'écorce terrestre. Les êtres existant sur cette terre sont classées en 3 règnes principaux dont l'un est le minéral, les 2 autres étant le végétal et l'animal. Donc, ce qui n'est ni végétal, ni animal est minéral. Toutefois, pour être précis et ne pas enfermer l'esprit dans des idées rigides, il faut noter que certains organismes microscopiques sont à la frontière entre les deux règnes végétal et animal et peuvent être classés soit dans l'un soit dans l'autre selon le critère retenu pour défnir un règne (mobilité, capacité à respirer, etc.). Comme pour toute classifcation décidée par l'esprit, il n'y a pas de critère unique et défnitif. Comme les scientifques sont attachés à des défnitions rigoureuses, certains ont inventé d'autre règnes pour classer ces microorganismes (mycètes, bactéries, archées, protistes). Mais cela ne concerne pas les minéraux étudiés ici. Selon leur composition et leur histoire géologique, les minéraux sont plus ou moins durs (de l'argile pâteuse au silex et au diamant), plus ou moins compacts, friables ou fragmentés (comme le sable). Le mot pierre désigne un minéral plutôt solide et compact. Certaines de ces pierres sont qualifées d e gemmes, de pierres précieuses ou de pierres ornementales. Les pierres précieuses sont précieuses à cause de leur beauté, de leur rareté et de leur valeur c o m m e r c i a l e . E l l e s s o n t principalement transparentes et sont au nombre de 4: le diamant, le rubis, le saphir et l'émeraude. L e s pierres fnes sont translucides ou transparentes. On peut citer la topaze, le quartz, l'opale, les grenats, l'aigue-marine, la tourmaline, l'améthyste et bien d'autres encore. Cristaux géants de gypse (sulfate de calcium) dans une grotte de Naica au Mexique. Vous pouvez aussi consulter cette vidéo. Wulfénite (Ojuela Mine, Mapimi, Durango, Mexique) en association avec de la mimétite verte Photo Frédéric Hède ©Alpinisme et minéraux Le terme pierre ornementale s'applique à toutes les pierres qui sont portées comme parure. Il est souvent employé comme synonyme de pierre fne. Les pierres ornementales sont translucides ou opaques. On peut citer l'obsidienne, la moldavite, etc. Le mot gemme englobe les pierres précieuses, fnes ou ornementales. Une pierre gemme doit posséder les trois caractéristiques suivantes: avoir un aspect agréable, principalement par sa couleur, avoir une dureté élevée (pour éviter d'être abimée par les frottements et rayures) et être rare. La pierre doit aussi être peu altérable sur le plan chimique. (plus de détails dans le site Kasaku) Dans l'usage courant, il n'y a pas de frontières précises entre ces différentes catégories. Toutefois, des règles commerciales ont fxé la dénomination de pierres précieuses afn que l'acheteur soit bien informé de ce qu'il achète. La notion d'ornement est subjective et divers objets de matière dure ou colorée uploads/Geographie/ les-structures-de-la-matiere.pdf