Quasicristaux - Structure, propriétés et applications

Découverts en 1984 par Daniel Shechtman, les quasicristaux comptent parmi les plus importants développements de la physique et de la chimie des solides de ces dernières décennies. Ce sont des composés intermétalliques caractérisés par un ordre à longue distance incompatible avec la périodicité de translation des cristaux. Ils présentent des symétries de rotation interdites par les règles de la cristallographie classique. La découverte de ces matériaux apériodiques a bouleversé les fondements de la cristallographie en démontrant que la répétition périodique d’une même cellule unité n’est pas la seule manière de construire une structure ordonnée à longue distance. Son importance a été saluée par l’attribution du prix Nobel de chimie 2011 à son découvreur.

Cette découverte a entraîné un effort de recherche important dans le domaine des intermétalliques pour découvrir de nouvelles phases quasicristallines dans les diagrammes de phase binaires ou ternaires, et pour les synthétiser sous les formes les plus pures. De nombreux composés cristallins à grande maille ont également été mis au jour. Ils sont appelés approximants, parce que leur composition chimique est proche de celle de la phase quasicristalline parente et qu’ils possèdent un ordre local similaire. Des modèles structuraux ont pu être proposés pour décrire assez précisément où sont les atomes. Il est possible de les décrire comme un assemblage d’agrégats de symétrie élevée, que l’on retrouve à la fois dans les quasicristaux et leurs approximants. Cette complexité structurale donne lieu à des propriétés physiques et chimiques très différentes de celles de leurs constituants. Ce sont, par exemple, de mauvais conducteurs de l’électricité et de la chaleur, alors qu’ils sont obtenus à partir d’éléments métalliques comme l’aluminium et des métaux de transition.

Cet article propose une description des grandes familles de quasicristaux découvertes jusqu’à maintenant et des différents moyens de les synthétiser. Il aborde également les principales propriétés physiques et chimiques, depuis les propriétés électroniques jusqu’aux propriétés de surface. L’accent est mis sur les propriétés d’usage de ces matériaux comme le frottement, l’adhésion et le mouillage. Enfin, les principales applications pour lesquelles ils sont envisagés ou qui sont d’ores et déjà mises en œuvre sont décrites en fin d’article. Il s’agit, par exemple, d’utiliser les quasicristaux comme nouveaux matériaux de revêtements ou de dépôts superficiels pour bénéficier de leurs propriétés de surface. Ils sont aussi utilisés comme particules de renfort dans des composites massifs, aussi bien à matrice métallique qu’à matrice polymère. Ils entrent également dans la composition de nouveaux matériaux de la fabrication additive, pour réaliser des pièces fonctionnelles composites à matrice polymère ou métallique présentant des propriétés nouvelles ou améliorées. D’autres applications technologiques à fort potentiel comme les matériaux anti-contrefaçon ou la catalyse sont aussi décrites.

Le lecteur trouvera en fin d'article un tableau des sigles utilisés.