Les violents doigts d’électricité qui ont frappé une dune de sable dans le Nebraska ont laissé derrière eux une configuration de cristal rarement trouvée dans la nature.
À l’intérieur d’un morceau de fulgurite – ou “éclair fossilisé” – créé par un puissant éclair électrique voyageant dans le sable et le faisant fusionner, les scientifiques ont trouvé un quasi-cristal, un arrangement de matière autrefois considéré comme impossible.
Cette découverte suggère qu’il existe des voies de formation jusque-là inconnues pour les quasi-cristaux, ouvrant de nouvelles voies pour leur synthèse en laboratoire.
“L’enquête actuelle a été conçue pour explorer un autre mécanisme possible inspiré de la nature pour générer des quasi-cristaux : la décharge électrique”, écrivent une équipe de chercheurs dirigée par le géologue Luca Bindi de l’Université de Florence en Italie dans leur article.
“La découverte d’un quasi-cristal dans une fulgurite avec une symétrie 12 fois rarement observée et une composition non signalée auparavant indique que cette approche peut également être prometteuse en laboratoire.”
La fulgurite des Sandhills. Le quasi-cristal a été trouvé dans la section de droite. (Bindi et al., PNAS, 2022)
La plupart des solides cristallins dans la nature, de l’humble sel de table aux diamants les plus résistants, suivent le même schéma : leurs atomes sont disposés dans une structure en treillis qui se répète dans un espace tridimensionnel.
Les solides qui n’ont pas ces structures atomiques répétitives – les solides amorphes comme le verre – sont généralement un gâchis atomique, un fouillis d’atomes mélangés sans rime ni raison.
Les quasi-cristaux enfreignent la règle – leurs atomes sont disposés selon un motif, mais ce motif ne se répète pas.
Lorsque l’idée de quasi-cristaux est apparue pour la première fois dans les années 1980, le concept était considéré comme impossible. Les solides peuvent être cristallins ou amorphes, pas cet étrange entre-deux. Mais ensuite, les scientifiques les ont effectivement trouvés, à la fois en laboratoire et dans la nature, au plus profond des météorites.
Depuis lors, les scientifiques ont déterminé que les quasi-cristaux dans la nature ne peuvent se former que dans des conditions extrêmes, avec des chocs, des températures et des pressions incroyablement élevés.
Les impacts de météorites à hypervitesse sont l’un de ces paramètres; en fait, pendant longtemps, c’était le seul cadre dans lequel ils avaient été trouvés dans la nature, et on pensait donc qu’il était peut-être le seul endroit où ils pouvaient se produire.
Puis Bindi et son collègue, le physicien Paul Steinhardt de l’Université de Princeton, ainsi que leur équipe, ont trouvé un quasi-cristal forgé lors d’un essai de bombe nucléaire en 1945. Bien que n’étant pas exactement des conditions “naturelles”, la découverte a suggéré qu’il pourrait y avoir d’autres paramètres dans lesquels les quasi-cristaux pourrait se former.
La foudre est l’une des forces les plus puissantes de la nature, frappant à une vitesse extrême, et peut chauffer l’air qu’elle traverse à 5 fois la température de la surface du Soleil.
Et, lorsqu’il touche le sol au bon endroit avec suffisamment de puissance, il peut faire fondre le sable, laissant derrière lui une fulgurite – un «fossile» du chemin qu’il a parcouru dans le sol.
Tous les ingrédients sont là : choc, température et pression. Alors Bindi, Steinhardt et leurs collègues se sont mis à enquêter sur les fulgurites pour les quasi-cristaux.
Ils ont obtenu un échantillon de fulgurite de la région de Sandhills au Nebraska, récupéré sur un site proche d’une ligne électrique tombée, et l’ont soumis à une microscopie électronique à balayage et à une microscopie électronique à transmission, pour déterminer sa composition chimique et sa structure cristalline.
Image de microscopie électronique à transmission à champ sombre annulaire à angle élevé d’une section du quasi-cristal, démontrant son ordre et son désordre. (Bindi et al., PNAS, 2022)
L’échantillon était composé de sable fondu et de traces de métal conducteur fondu provenant de la ligne électrique. À l’intérieur, les chercheurs ont trouvé un quasi-cristal dodécaédrique (douze côtés) avec la composition inédite Mn72.3Si15.6Cr9.7Al1.8Ni0.6.
Les atomes de ce quasi-cristal formaient un motif avec une symétrie d’ordre 12, disposés dans un ordre quasi-cristallin impossible dans les cristaux normaux.
Il n’est pas clair si la foudre ou la ligne électrique étaient responsables de l’électricité qui a créé la fulgurite ; cependant, sur la base de leur analyse, l’équipe a déterminé que le sable devait avoir été chauffé à au moins 1 710 degrés Celsius (3 110 degrés Fahrenheit) pour créer la fulgurite.
Selon les chercheurs, cela donne des indices sur la façon dont les scientifiques pourraient créer des quasi-cristaux en laboratoire. Des quasi-cristaux trouvés dans une météorite suggèrent que la synthèse de choc pourrait être une voie ; la foudre offre de nouvelles possibilités.
“La découverte d’un quasi-cristal dodécagonal formé par un coup de foudre ou une ligne électrique tombée suggère que les expériences de décharge électrique pourraient être une autre approche à ajouter à notre arsenal de méthodes de synthèse”, écrivent-ils dans leur article.
Et la découverte pointe vers des voies de formation de quasi-cristaux qui auraient pu être ignorées auparavant, à la fois sur Terre et au-delà.
“Les résultats présentés ici, ainsi que les abondances d’éléments traces mesurées dans les quasi-cristaux naturels, ouvrent la possibilité que la décharge électrique dans la nébuleuse solaire primitive ait joué un rôle clé qui non seulement explique les conditions réductrices requises, mais favorise également la formation de quasi-cristaux.”
La recherche a été publiée dans PNAS.
