Le pouvoir des cristaux

Dans les pierreries la majesté de la nature se présente pour ainsi dire en abrégé, et, dans l’opinion de bien des gens, elle n’est nulle part plus admirable, et on attache de prix à la variété, aux nuances, à la matière, à la beauté; et, pour certaines pierres, on va jusqu’à regarder comme un sacrilège d’y porter le burin. Il y a tel de ses joyaux qui passe pour inestimable et sans tarif dans les richesses humaines; de sorte qu’aux yeux du grand nombre il suffit de je ne sais quelle pierre pour avoir la contemplation suprême et absolue de la nature.

De toutes les merveilles décrites par Pline l’Ancien dans son Histoire Naturelle, les chapitres sur les pierres précieuses sont parmi les plus exhaustifs et les plus poétiques. S’y mêlent les anecdotes historico-mythologiques, quelques notions sur la géographie des gisements, et des observations techniques où le pertinent côtoie souvent le farfelu: ainsi on apprend dans le même paragraphe que l’ambre serait de l’urine de lynx cristallisée, et qu’elle permet d’observer l’électricité statique (par définition, en quelque sorte).

Ou encore, une curieuse propriété mentionnée à propos de la « lychnis », nom qui aujourd’hui ne fait plus référence qu’à une fleur, mais qui ici désigne vraisemblablement une très belle pierre, la tourmaline: Pline nous dit que, comme l’ambre, elle attire les pailles et les filaments de papier… mais seulement lorsqu’elle est chauffée par le soleil ! Alors, farfelu ou pas ?

La pierre électrique

Bien des années plus tard, le lointain successeur de Pline dans la classification du vivant, c’est le Suédois Carl von Linné. Notre mot « tourmaline » vient du cinghalais « aux couleurs mélangées »… ça tombe bien, Pline affirmait que les plus belles tourmalines venaient d’Inde. Et justement, au détour d’un petit catalogue de la flore de Ceylan, voilà que Linné mentionne une « pierre électrique » ! C’est finalement son contemporain Franz Æpinus, physicien allemand à la cour de Saint-Pétersbourg, qui va étudier explicitement le comportement de la tourmaline vis-à-vis de l’électricité statique. Et quand l’électromagnétisme prend son envol au siècle suivant, on peut aller plus loin: certains cristaux, donc, voient apparaître sur leurs faces opposées une polarisation électrique quand leur température augmente (ou diminue: ce qui compte, c’est qu’elle varie). Pline avait raison !

Ils sont nombreux à s’y intéresser: d’un côté les minéralogistes comme René Just Haüy, de l’autre les physiciens comme l’Anglais David Brewster qui décide d’appeler ça « pyro-électricité ». Ou encore un certain Antoine Becquerel, qui en 1828 parvient à faire les premières mesures de courant pyroélectrique[1]. D’ailleurs ce n’est plus seulement la tourmaline qui est concernée: la topaze, la prehnite, la boracite et d’autres encore montrent la même propriété. Parmi les 32 classes de cristaux, dix sont concernées… toutes celles qui sont asymétriques. Reste à expliquer le phénomène… et au mitan du siècle c’est le jeune William Thomson, pas encore Lord Kelvin, qui se coltine les calculs.

En famille(s)

En 1880, dans le laboratoire parisien de Charles Friedel, deux jeunes frères utilisent justement l’électromètre à quadrants inventé par Thomson. Ils veulent mesurer les tout petits courants pyroélectriques des tourmalines ; ils s’appellent Jacques et Pierre Curie ; ils ont respectivement 25 et 21 ans. Et à force de manipuler toute la journée des cristaux de sels, de quartz ou de topazes, ils finissent par observer un phénomène étonnant: le cristal réagit de la même façon quand on le comprime que quand on le refroidit (et réciproquement, le décompresser revient à le chauffer) ! Les frères Curie baptisent ce nouvel effet « piézo-électricité »: certains cristaux (tous ceux qui sont pyroélectriques, plus quelques autres) réagissent électriquement, non seulement aux variations de température, mais aussi aux variations de pression !

Et il ne faudra pas attendre longtemps avant que cet effet trouve des applications. 20 ans plus tard, Pierre travaille maintenant avec son épouse Marie, sur des morceaux de cailloux dont Henri Becquerel (le fils d’Edmond et petit-fils d’Antoine… vous suivez ?) a montré qu’ils étaient « radioactifs ». Pour identifier les nouveaux éléments instables qui seront baptisés polonium et radium, ils placent les échantillons dans une chambre d’ionisation: les « rayons » émis par la pechblende vont ioniser les molécules de l’air. Pour prouver (et mesurer) la radioactivité, il faut donc réussir à mesurer des courants électriques minuscules ! Le bon vieil électromètre à quadrants de Thomson ne suffit plus.

Les époux Curie ont l’idée d’y adjoindre un quartz piézoélectrique: en modifiant très légèrement la pression exercée sur ses faces (donc en ajoutant ou en enlevant un petit poids sur une balance), ils créent un courant opposé à celui qu’ils mesurent… jusqu’à l’annuler ! Et si on reprend la même idée mais dans l’autre sens, on est aussi capables d’utiliser l’effet piézoélectrique d’un quartz pour transformer une variation de pression en un courant électrique ! On pourra ensuite en faire des microphones, et dès la première guerre mondiale, sur une idée de Paul Langevin (un ancien élève de Pierre), on fabriquera les premiers transducteurs à ultrasons pour mettre au point le sonar et détecter des sous-marins.

Partout des petits quartz

Mais revenons en arrière: un an après la découverte des frères Curie, le physicien Gabriel Lippmann prédit qu’il devrait exister un effet piézoélectrique inverse. Aussitôt les frères Curie le vérifient: si on soumet un cristal de quartz à un courant électrique… il se met à vibrer ! Et il vibre à une fréquence très bien définie, qui dépend de sa forme et de ses dimensions. Il faudra attendre 1927 pour que les laboratoires Bell construisent la première horloge basée sur le principe, mais ensuite ce sera un raz-de-marée pour les montres à quartz (sans compter tous les dispositifs électroniques qui ont besoin d’une mesure de temps… c’est-à-dire à peu près tous !)

Bon OK, tous les Curie sont très forts. Et la pierre électrique de Tonton Pline alors ? Bien évidemment, et bien des siècles après l’Histoire Naturelle, quelqu’un finira par trouver un moyen d’exploiter l’anecdotique et minuscule effet « d’attraction des pailles » des cristaux pyroélectriques… pour fabriquer des détecteurs de présence (dits « infrarouges ») ! La chaleur dégagée par un corps humain à proximité est suffisante pour déclencher un petit courant électrique… qu’il n’y a plus qu’à mesurer. Merci qui ?


Aller plus loin

  • La « méthode Curie » (de mesure de radioactivité) joliment illustrée en diaporama.
  • Beaucoup plus complet sur les différentes étapes de découverte de la piézo (et un peu pyro) électricité, l’ouvrage [en anglais] de Shaul Katzir.
  • Avouez-le, l’histoire de Pline sur l’urine de lynx, vous avez trouvé ça franchement idiot. Ne serait-ce que parce qu’on trouve assez souvent de l’ambre, beaucoup moins souvent des lynx, et pas toujours au même endroit. Mais des rats, par contre, il y en a beaucoup, non ? Alors forcément, ça fait moins rêver. Mais oui, l’urine de rat se fossilise[2] ! Et ça donne en effet une sorte de résine solide, qui peut ressembler à de l’ambre et qu’on trouve parfois au fond des grottes. En anglais ça s’appelle de l’amberat et, curieusement, il semblerait qu’on trouve aussi cette substance utilisée, sous d’autres noms, comme complément alimentaire ou remède miracle (sans que son origine exacte soit bien précisée).  Quelques précisions ici, et [en anglais], et bon appétit !
  • Allez, pour la route un fil entier avec des tourmalines, parce que quand même, il avait bien raison le vieux Pline.

[1] Et qui va aussi découvrir, avec son fils Edmond, l’effet photo-voltaïque… mais ce sera une autre histoire !
[2] Souvenez-vous, on a déjà vu que  ça épaissit assez vite

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