Que sont les quasicristaux et pourquoi ont-ils révolutionné la science ?

Les cristaux qui ne devraient pas exister

Tout étudiant en chimie apprend une règle de base : les cristaux sont des solides dont les atomes se répètent selon des motifs nets et prévisibles. Ces motifs peuvent avoir une symétrie de rotation d'ordre deux, trois, quatre ou six, mais jamais d'ordre cinq. C'est l'un des principes les plus anciens de la cristallographie, prouvé mathématiquement et accepté depuis plus d'un siècle.

Puis, au matin du 8 avril 1982, le scientifique israélien Dan Shechtman a observé à travers un microscope électronique un alliage aluminium-manganèse refroidi rapidement et a vu quelque chose d'impossible : dix points brillants disposés en cercle, parfaitement espacés. Le motif affichait une symétrie d'ordre cinq, une configuration que la théorie classique disait ne pas pouvoir exister dans un solide ordonné.

Il avait découvert les quasicristaux, et cette découverte allait finir par bouleverser une hypothèse fondamentale en science des matériaux.

Comment fonctionnent les quasicristaux

Un cristal traditionnel (sel de table, diamant, quartz) est constitué d'atomes enfermés dans une grille répétitive. Imaginez que vous carrelez le sol d'une salle de bain avec des carreaux carrés : le motif est parfaitement périodique, s'étendant dans toutes les directions avec une répétition exacte. Les quasicristaux enfreignent cette règle. Leurs atomes sont hautement ordonnés mais ne se répètent jamais selon un cycle prévisible.

L'analogie quotidienne la plus proche est un pavage de Penrose, un motif inventé par le mathématicien Roger Penrose dans les années 1970. Les pavages de Penrose utilisent deux carreaux de formes différentes qui s'emboîtent pour recouvrir complètement une surface, en conservant une symétrie d'ordre cinq, mais la disposition exacte ne se répète jamais, quelle que soit la distance à laquelle elle s'étend. Les quasicristaux font la même chose en trois dimensions, à l'échelle atomique.

C'est ce qui donne aux quasicristaux leur caractéristique déterminante : ils produisent des diagrammes de diffraction nets et clairs lorsqu'ils sont frappés par des rayons X ou des électrons (preuve d'un ordre à longue portée), mais ces diagrammes présentent des symétries « interdites » telles que des rotations d'ordre cinq, huit, dix ou douze qu'aucun cristal périodique ne peut posséder.

Une découverte rejetée par le monde scientifique

La découverte de Shechtman s'est heurtée à une vive résistance. L'idée d'un solide ordonné sans périodicité contredisait plus de 150 ans de science établie. Le double lauréat du prix Nobel, Linus Pauling, a déclaré avec une certaine notoriété : « Les quasicristaux n'existent pas, il n'y a que des quasi-scientifiques. » Shechtman a été invité à quitter son groupe de recherche.

Il a fallu plus de deux ans avant que ses premiers articles sur le sujet ne soient publiés. Progressivement, d'autres laboratoires dans le monde ont reproduit les résultats, et les physiciens théoriciens Dov Levine et Paul Steinhardt ont montré que des pavages de type Penrose pouvaient expliquer la structure atomique. La tendance s'est inversée. En 2011, Shechtman a reçu le prix Nobel de chimie pour sa découverte, qui, selon le comité Nobel, « a révélé un nouveau principe d'assemblage des atomes et des molécules » et a forcé un changement de paradigme dans le domaine.

Propriétés et applications

Les quasicristaux se forment le plus souvent dans des alliages d'aluminium combinés à des métaux comme le fer, le cobalt, le nickel ou le manganèse. Ils ont tendance à être extrêmement durs, à avoir un très faible frottement de surface et à résister à la corrosion, des propriétés qui ont suscité l'intérêt des ingénieurs malgré une utilisation commerciale à grande échelle limitée jusqu'à présent.

Les applications pratiques comprennent les revêtements pour les instruments chirurgicaux et les lames de rasoir (où la dureté et la résistance à la corrosion sont importantes), les composants de l'éclairage LED et les revêtements antiadhésifs expérimentaux. Les chercheurs ont également exploré leur potentiel pour les cellules solaires ultra-efficaces et les dispositifs optiques avancés.

La NASA finance la recherche sur les quasicristaux par l'intermédiaire d'une équipe de la Colorado School of Mines, qui a mis au point une méthode pour faire croître délibérément des quasicristaux à l'aide de champs magnétiques et électriques, une avancée publiée en couverture de Nature Physics. La NASA voit un potentiel dans les matériaux quasicristallins auto-assemblés pour les habitats spatiaux, les composants de satellites et les capteurs avancés.

Des matériaux à la structure de l'espace-temps

Au début de l'année 2026, des physiciens ont étendu le concept de quasicristal bien au-delà des alliages métalliques. Une étude théorique menée par des chercheurs du Perimeter Institute au Canada a démontré que des structures quasicristallines pourraient exister dans l'espace-temps lui-même, le tissu quadridimensionnel de l'univers décrit par la relativité d'Einstein. « L'espace-temps dans lequel nous vivons pourrait être un quasicristal », a déclaré Sotiris Mygdalas, co-auteur de l'étude.

Parallèlement, des expérimentateurs de l'université Washington à Saint-Louis ont créé un quasicristal temporel, une phase de la matière dont les états énergétiques oscillent selon un motif ordonné mais jamais répétitif dans le temps, maintenu sans perte d'énergie.

Ces développements suggèrent que les quasicristaux ne sont pas seulement une curiosité de la métallurgie, mais qu'ils peuvent refléter quelque chose de profond sur la façon dont la nature s'organise, des atomes dans un alliage à la géométrie du cosmos.