Un matin d’avril pas comme les autres…

Le 8 avril 1982, Daniel Shechtman, alors chercheur invité au National Bureau of Standards (NBS, aujourd’hui le NIST, National Institute for Science and Technology), observe dans un microscope électronique un alliage fait d’aluminium et de manganèse. Ce qu’il observe alors le stupéfie. Sous ses yeux apparaît une figure de diffraction d’électrons impossible, celle d’un cristal possédant une symétrie pentagonale qui est précisément interdite par la théorie cristalline existante : Shechtman vient de découvrir un objet ordonné mais pas périodique, c’est-à-dire qui ne se répète jamais à l’identique. Stupéfaction ! La définition d’un cristal s’appuyait justement depuis le début du siècle sur celle d’un solide composé d’atomes arrangés dans une structure périodique à trois dimensions. Cette nouvelle structure, le quasicristal, avait été imaginée par des mathématiciens dès les années 70. Les artistes les avaient d’ailleurs précédés puisque l’on rencontre des esquisses de motifs quasipériodiques dans certaines mosquées médiévales comme celle de Darb-i Imam construite en Iran au XVe siècle. Il ne restait plus qu’à les observer dans la nature.

Le succès d’une équipe

La découverte de Daniel Shechtman n’est pas immédiatement admise par ses confrères. En 1984 son travail attire l’attention de Ilan Blech puis de John Cahn, alors senior scientifique au NBS, et enfin de Denis Gratias alors en séjour à l’Institut de Physique Théorique de L’université de Californie Santa Barbara. Quelques mois plus tard est rédigé le célèbre article fondateur de la découverte des quasi-cristaux*. A partir de cette date de nombreuses études s’engagent, en particulier aux USA et en France pour mieux comprendre la structure et les propriétés des quasicristaux. C’est ainsi que dès 1985 Richard Portier dévoile les premières images de microscopie électronique haute résolution des quasicristaux, qui révèlent que la symétrie pentagonale s’étend jusqu’au niveau atomique. Des applications pour des matériaux d’avenir Quelles sont les propriétés des quasicristaux ? Caractérisés par une grande dureté, les quasicristaux sont peu sensibles au frottement. Ces alliages métalliques présentent de remarquables qualités d’isolants thermiques et électriques alors que leurs composants sont d’excellents conducteurs, un paradoxe ! Ils peuvent donc être utilisés en entrant dans la composition d’isolants thermiques ou de revêtements anti-adhésifs. Ainsi, pour les ustensiles de cuisine, la poêle diffusera une chaleur uniforme tout en évitant aux aliments de "coller" au récipient. Une limite cependant : ces alliages qui ont la dureté de l’acier et la légèreté de l’aluminium sont par contre cassants comme du verre. Ceci explique que les quasicristaux sont réservés aux matériaux de surface plutôt que de structure.

De l’importance de la ténacité

Pourquoi les quasi-cristaux n’ont-ils pas été découverts avant 1982 ? Sont-ils particulièrement rares, instables ou difficiles à fabriquer ? En fait, il en existe des centaines, ils sont faciles à créer et très bon marché. Ils ont probablement été rencontrés par de nombreux chercheurs… mais aucun avant D. Shechtman n’a eu explicitement le courage de remettre en cause l’une des lois de la cristallographie les plus fondamentales, celle interdisant les symétries pentagonales. Il fallait le courage d’aller à l’encontre du dogme scientifique, de l’opinion dominante, à l’image de la célèbre allégorie de la caverne de Platon qui nous invite à dépasser l’emprise des idées reçues pour oser changer la conception des choses.

* D. Shechtman, I. Blech, D. Gratias, J. W. Cahn , Metallic phase with long range orientational order and no translation symmetry, Physical Review Letters 53, 1984.