Un quasi-cristal a été découvert sur le site d’essai de la première bombe atomique, au Nouveau-Mexique. Il adopte une structure que les scientifiques ne peuvent pas encore pleinement expliquer.

En juillet 1945, au Nouveau-Mexique, les États-Unis procédaient au premier test d’une bombe nucléaire dans le cadre du projet Manhattan. Cet essai, baptisé Trinity, reposait sur une bombe à fission nucléaire à base de plutonium. Une énergie équivalant à environ 21 kilotonnes de TNT s’est alors libérée, laissant un cratère de 1,5 mètre de profondeur et de 9,1 mètres de diamètre. Tandis que le nuage s’est élevé jusqu’à 12 100 mètres d’altitude, le sable a fondu en se vitrifiant, générant un minéral appelé trinitite.

Durant ce processus, un cristal s’est également formé, et plus particulièrement un « quasi-cristal ». Celui-ci vient d’être découvert, lors d’une étude des lieux, 76 ans après l’explosion. Les scientifiques qui ont mis au jour et étudié ce matériau rare publient leurs résultats en juin 2021 dans la revue PNAS.

Le grain de quasi-cristal, situé dans un échantillon de trinitite rouge, est entouré en rouge. // Source : Bindi et al., PNAS, 2021

Le grain de quasi-cristal, situé dans un échantillon de trinitite rouge, est entouré en rouge.

Source : Bindi et al., PNAS, 2021

Qu’est-ce qu’un quasi-cristal ?

Les quasi-cristaux ont été découverts pour la première fois en 1982. Le découvreur, Dan Shechtman, a obtenu le prix Nobel de Chimie en 2011 pour cette trouvaille révolutionnaire. Leur particularité est de briser toutes les règles auparavant admises sur les matériaux cristallins, tout en étant malgré tout des cristaux.

Un cristal normal, que ce soit de la neige, du sucre ou un diamant, possède une structure atomique régulière, périodique. Un même motif est répété à l’identique dans une structure symétrique en trois dimensions. Un quasi-cristal contient les mêmes constituants, mais ils ne s’arrangent pas de façon régulière. Ce sont des cristaux en quelque sorte chaotiques, dont la structure interne avait été décrite comme « impossible » par les physiciens lors de leur découverte, car, jusqu’alors, on pensait que l’ordre était synonyme de périodicité. Or, les quasi-cristaux sont ordonnés, symétriques, mais les motifs ne sont pas périodiques — ils ne sont pas répétés. Cette découverte a obligé l’Union internationale de cristallographie à changer la définition d’un cristal, pour prendre en compte les quasi-cristaux.

« Les quasi-cristaux se forment dans des environnements extrêmes qui existent rarement sur Terre », explique le géophysicien Terry C. Wallace, sur le site de l’observatoire de Los Alamos. « Ils nécessitent un événement traumatique avec un choc, une température et une pression extrêmes. Nous ne voyons généralement pas cela, sauf dans un événement aussi dramatique qu’une explosion nucléaire. »

Quasi-cristal trouvé sur le site de l'essai nucléaire Trinity. // Source : Bindi et al., PNAS, 2021

Quasi-cristal trouvé sur le site de l'essai nucléaire Trinity.

Source : Bindi et al., PNAS, 2021

À l’heure actuelle, tous les quasi-cristaux découverts sont d’origine anthropique, c’est-à-dire générés par des activités humaines. Il y a une exception : la météorite Khatyrka. Découverte en 2011 en Sibérie, le site du crash est le seul endroit connu où ont été trouvés des quasi-cristaux d’origine naturelle. Les conditions thermodynamiques d’un tel impact sont assez proches de celles provoquées par une fission nucléaire.

« Ce quasi-cristal est magnifique dans sa complexité »

Le quasi-cristal récemment découvert sur le site de l’essai Trinity est composé de trinitite rouge, la forme la plus rare de trinitite, et donc la moins étudiée. Ils ont analysé un minuscule échantillon par microscopie électronique à balayage et par cristallographie aux rayons X. Ce faisant, les scientifiques ont pu observer une structure cristalline prenant la forme d’une symétrie rotative quintuple. C’est un type de symétrie non périodique (assez proche de la forme géométrique dit icosaèdre), ce qui serait littéralement impossible dans un cristal normal tel qu’un diamant ou un grain de sel.

Pourquoi a-t-il pris une telle forme lors de l’explosion ? La réponse à cette question n’a pas encore été identifiée. « Ce quasi-cristal est magnifique dans sa complexité — mais personne ne peut encore nous dire pourquoi il s’est formé de cette façon », répond Terry C. Wallace sur le site de l’observatoire Los Alamos. Mais il ne désespère pas qu’un jour « un scientifique ou un ingénieur le découvre » et que nous ayons alors « une explication thermodynamique » sur la création de cette structure.

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