L’étude de la matière est une branche très développée en sciences. La matière et les matériaux façonnent notre monde. Une compréhension théorique et technique de la matière permet donc de maîtriser en partie le monde qui nous entoure et de concevoir des objets, des machines et des outils utiles aux tâches quotidiennes. La combinaison entre le savoir théorique et technique est la clé en arrière des grandes technologies modernes; l’électronique, les voitures, les systèmes de navigation GPS, les téléphones, moyens de communication… La liste est énorme!
De manière fondamentale, l’humain se demande : « De quoi est faite la matière qui nous entoure? Comment est-ce que les objets interagissent entre eux? Quelles propriétés possèdent un matériau? En quoi un objet peut-il m’être utile en fonction de ses propriétés? ».
Ces questions sur les matériaux sont à la base de la branche d’étude en physique que l’on nomme la matière condensée et lorsqu’on traite d’objet solide, alors il s’agit de la physique des solides. Il s’agit d’un domaine de la science intéressant car elle permet un bel échange entre notion théorique et vérification expérimentale. Prenons un contre-exemple : dans le domaine de l’astronomie ou de la cosmologie, il est difficile de vérifier les résultats théoriques, car les vérifications expérimentales demandent de sonder l’espace qui demandent souvent des appareils très coûteux et les méthodes sont souvent limitées à de l’analyse d’images prises par satellite. N’étant pas une mission impossible puisque beaucoup d’inventions servent à prendre des données de l’espace et des outils puissants d’analyse de ces données, il s’agit tout de même d’une quête plus difficile que de tester par exemple, les propriétés d’un objet que l’on possède tous à la maison ; du NaCl, soit du sel de cuisine. C’est là l’avantage d’explorer le monde de la matière condensée, puisqu’on peut étudier les propriétés de conduction électrique, réaction à la lumière et comment modifier des matériaux selon nos besoins!
Une première manière d’étudier la matière réside d’abord dans sa classification. Tout comme les atomes ont pu être classés dans le célèbre tableau périodique, où chaque colonne du tableau donne des indications sur le type d’atome, il est aussi possible de classer des cristaux dans plusieurs catégories. La définition d’un cristal est la suivante :
Un cristal est un arrangement périodique d’atomes, de molécules ou de particules pouvant être décrit par un réseau possédant des symétries.
Voici une image qui montre en (b) une seule molécule d’eau dans sa forme solide, soit de la glace. L’image en (c) (1) montre un cristal composé de plusieurs molécules d’eau sous forme de glace. On remarque que les molécules d’eau dans cette phase solide s’arrangent sous une forme hexagonale. Ces motifs hexagonaux qui se répètent montrent qu’il y a une symétrie et on dit que ces motifs forment un réseau.
Ainsi, un solide peut être représenté par un cristal dont on peut étudier les symétries présentes et l’arrangement particulier des atomes ou molécules qui le compose peut nous donner une compréhension de ses propriétés. Par exemple, en reprenant le cas de l’eau, lorsque les atomes sont arrangés de la forme hexagonale, l’eau est dans sa phase solide de glace. Quand le motif hexagonal se défait sous l’effet de la chaleur, l’ordre est détruit et cela indique un changement de phase ; cela permet donc de déduire que l’eau passe de sa phase solide à liquide ou gazeuse, par exemple. Voici une image pour le voir:
On remarque à gauche que les atomes forment un motif hexagonal ; il s’agit de la phase solide. Au milieu, les molécules d’eau ne sont plus arrangées de manière ordonnée, on a brisé l’ordre d’arrangement et cela indique la phase liquide. En plus de cette brisure de symétrie, dans la phase liquide, les molécules bougent et finalement à droite, il s’agit de la phase gazeuse, où les molécules bougent beaucoup et sont très éloignées les unes des autres. Ces changements de phase peuvent être observés par un changement de température en laboratoire, permettant d’avoir une confirmation expérimentale de ces théories.
De ce petit exemple sur l’eau, on peut constater une chose : il est possible de déterminer la phase d’un matériau à partir de la symétrie et la forme de l’arrangement de ses constituants. Il est donc possible d’étudier différents matériaux, d’en étudier leurs symétries et de changer des paramètres comme la température ou la pression, afin de voir sous quelles conditions est-ce que le matériau change de phase. Il s’agit d’une étude intéressante car dans la nature, on retrouve des objets toujours à la température ambiante dans des conditions de pression naturelle et parfois, se font de belles découvertes lorsqu’on prend le même matériau sous des conditions anormales en laboratoire. Par exemple, cela a permis de découvrir la supraconductivité de certains matériaux à des températures extrêmement basses uniquement possibles en laboratoire, soit proche du zéro absolu (-273,15 °C). Un matériau supraconducteur attire beaucoup l’attention des scientifiques et des ingénieurs puisqu’il s’agit d’un matériau permettant la transmission de l’électricité sans perte.
Pour en savoir plus sur le sujet et les applications modernes de la supraconductivité chez CERN
L’étude des matériaux supraconducteurs est encore en vigueur dans le monde de la recherche ; beaucoup de laboratoires essaient de trouver un matériau supraconducteur à de hautes températures afin qu’on puisse l’utiliser dans la vie de tous les jours, sans qu’il y ait un besoin de refroidir le matériau pour une utilisation stable, sans résistance et sans perte d’énergie ! Ainsi, le monde qui nous entoure est encore un grand mystère à percer et les petits cailloux ont encore bien plus à nous apprendre.
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