échelles macroscopique et microscopique

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Questions aux experts

Matière et matériaux

échelles macroscopique et microscopique

boizier9@hotmail.fr

Bonjour,

J'ai une question au sujet des états amorphes et cristallins.

A première vue, j'aurais tendance à dire que ces deux termes décrivent la matière à l'échelle microscopique, suivant l'organisation ou non des particules à grande distance au sein de la matière considérée.

Pourtant, à l'échelle macroscopique, on peut reconnaître des cristaux, la neige par exemple, mais aussi des cristaux de sulfate de cuivre par exemple par rapport à des matériaux amorphes : le plastique, le verre par exemple.

Les termes amorphes et cristallin sont-ils utilisables à l'échelle macroscopique ? Dans ce cas, ces deux termes sont-ils utilisables dans les deux échelles (micro et macro) ?

Merci d'avance pour votre aide à ce sujet,

Bien cordialement,

Wed 24/02/21 - 11:06
laurent.pagani@obspm.fr

Bonjour,

Je ne suis pas géologue donc ma réponse va être un peu approximative à leurs yeux mais en gros, vous avez donné la réponse vous-même, l'état amorphe ou cristallin se différencie au niveau microscopique par un arrangement aléatoire (amorphe) ou régulier (cristallin) des atomes mais il n'y a pas de limite de taille à ce phénomène et les cristaux peuvent être de taille macroscopique, comme le diamant ou le quartz. Donc on peut en effet utiliser ces deux termes dans les deux échelles.

jeu 25/02/2021 - 10:29
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guilhem.dezanneau@ecp.fr

Bonjour,

Les états amorphes et cristallins correspondent effectivement à des agencements différents des atomes ou molécules. Dans le matériau amorphe, il n'y a pas d'ordre "à longue distance" i.e. pas d'agencement de style pavage mais éventuellement un ordre local (les espèces - atomes /molécules - ayant quand même une taille donnée). Dans l'état cristalline, les atomes (le cas des molécules est plus complexe de par leur occupation compliquée de l'espace) s'organisent à l'échelle de l'angstroem. L'organisation consiste basiquement à empiler des sphères de différentes taille (atome) et à ce qu'elles se tiennent entre elles (liaisons). Du fait de leur taille et de leur attirance ou répulsion, certains arrangements vont être plus stables que d'autres et mener à des cristaux. L'exemple de billes qui s'acollent les unes aux autres (résau hexagonal) est un exemple simple mais qui permet de comprendre que l'ordre peu être maintenue sur une distance grande devant la taille de la bille. Cette organisation dans les cristaux est reproduite à longue distance (quelques centaines de nanomètres ou quelques microns) voire très longue distance (mm ou cm).

Donc, la question de l'échelle importe en réalité peu. Un matériau dit amorphe ou cristallin l'est ou ne l'est pas à l'échelle de l'atome (ou molécule). La question que vous poser est éventuellement de savoir s'il y a des évidences macroscopiques qu'un matériau est ou non cristallisé (i.e. sans passer par la diffraction des rayons X). Et dans ce cas, il semble évident que des matériaux présentant macroscopiquement des formes particulières vont correspondre à des matériaux cristallisés, puisque ces formes particulières vont correspondre à des plans cristallins spécifiques (croissance du cristal facilité suivant certaines directions). Au contraire, les amorphes n'ont pas vraiment de raison de prévilégier certaines directions donc auront tendance à ne pas présenter de formes particulières.

Mais attention le fait de ne pas avoir d'évidence macroscopique (grain de sels, sulfate) ne veut pas dire que le matériau est amorphe. Cela peut simplement correspondre au fait que les cristaux sont trop petits pour qu'on les voie à l'oeil nu.

jeu 25/02/2021 - 10:44
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quentin.auzoux@cea.fr

Bonjour,
Je suis tout à fait d'accord avec les réponses apportées. Cristallin ou amorphe, c'est une question d'organisation des atomes (ou molécules) avec leurs voisins, il s'agit donc d'une notion microscopique. Certains cristaux ont néanmoins une taille du millimètre ou du centimètre et peuvent se "reconnaître" à l'oeil nu du fait de leur forme géométrique particulière. Cependant, la plupart des matériaux cristallins (comme les métaux ou alliages métalliques par exemple) sont constitués d'une juxtaposition de nombreux petits cristaux (on parle alors de grain) souvent trop petits (typiquement 0,01 mm à 0,1 mm) pour qu'on puisse les distinguer à l'oeil nu. La forme macroscopique de ces matériaux cristallins ne permet pas d'en deviner le caractère cristallin. Les grains du revêtement en zinc des aciers galvanisés utilisés pour faire des tôles de voiture, des lampadaires ou des arrosoirs notamment ont souvent une taille centimétrique (sauf dans l'épaisseur bien-sûr) et peuvent se distinguer à l'oeil. Dans chaque grain, les atomes sont bien rangés (en réseau cubique ou hexagonal par exemple) mais l'orientation des directions de ce réseau diffère d'un grain à l'autre.
Une dernière petite remarque, certains plastiques sont partiellement cristallins (on parle de matériaux semi-cristallins) une partie de leur molécules sont bien ordonnées à l'échelle microscopique et pas l'autre.
Bonne journée,
Dr. Quentin Auzoux
CEA Saclay

jeu 25/02/2021 - 03:32
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fnouyrigat@free.fr

Bonjour
Je vois que l'essentiel a été dit dans les deux premières réponses.Amorphe est bien défini par opposition à cristallin et ce à petite distance. Reste à définir ce qui est cristallin. Rien à voir avec l'aspect visuel. La cristallinité correspond à l'organisation des atomes donc à une échelle infinimment plus petite. Il me semble que seuls les RX permettent de distinguer réellement d'après leur spectre de diffraction entre les deux. Encore faut il prévoir l'existence de composés mixtes avec des parties amorphes e des parties cristallines à plus ou moins petite échelle(certains polymères pas exemple)

jeu 25/02/2021 - 04:37
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jean-claude.chottard@parisdescartes.fr

Un matériau solide est défini comme "cristallin" si les éléments qui le
constituent font partie d'un réseau périodique dont le motif est
répété à grande distance dans tout le composé.On peut citer
l'arrangement des atomes de carbone dans le diamant (réseau d'atomes);
l'association des molécules de saccharose dans le sucre cristallisé
(due aux interactions liantes entre groupes hydroxyles);le réseau des
cations sodium et des anions chlorure dans les cristaux de chlorure de
sodium. Un matériau est défini comme "amorphe" s'il ne présente pas de
structure ordonnée à moyenne ou longue distance (à courte distance la
structure peut être ordonnée). On peut citer les verres, les
élastomères,les états vitreux minéraux ou organiques qui résultent de la
solidification rapide d'un liquide trop visqueux pour atteindre
l'organisation d'un état cristallisé.
Si nous revenons aux états cristallin et amorphe et aux échelles
macroscopique et microscopique, un état macroscopique est observable à
"l'oeil nu", alors que l'observation de l'arrangement d'atomes ou de
molécules d'un état microscopique requiert une méthode spectroscopique
(la diffraction des rayons X quand l'objet est cristallisé et la
cryo-microscopie électronique pour une macromolécule biologique
congelée).
A l'échelle macroscopique on peut distinguer un beau quartz d'un
presse-papier en verre.Mais seules les méthodes d'étude de l'état
microscopique permettent de caractériser un composé cristallin.
JC Chottard

sam 13/03/2021 - 12:57
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