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Stupéfiant : le bore forme à lui seul un cristal ionique !

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Depuis longtemps, le bore défie chimistes et physiciens. Un groupe international de chercheurs vient de démontrer qu'à haute pression, il se comporte comme un cristal ionique, analogue au sel de cuisine, ce qui semble en contradiction avec les lois de la chimie puisqu'un tel cristal exige deux atomes différents. Mais il n'en est rien !

Les cations (en orange) et les anions (en bleu) du cristal ionique de bore formés par les amas d'atomes sous une pression supérieure à 120.000 atmosphères et à plus de 1.400 K. Crédit : ETH

La saga du bore commence en 1808 lorsque, en France, Gay-Lussac et Thénard annoncent la découverte d'un nouvel élément, indépendamment et en même temps que Sir Humphrey Davy à Londres. Pas de chance, il s'agit en fait d'un composé ne contenant que 60 à 70% de bore. Plus tard, le prix Nobel de chimie Henri Moissan croira lui aussi avoir obtenu du bore à l'état pur mais ce n'est encore qu'un composé à 90%.

Le bore se rit des chimistes mais aussi des cristallographes. F. Wöhler, bien que plutôt un spécialiste de chimie organique, affirmera en 1858 que le bore peut exister sous deux formes cristallines, l'une ressemblant au graphite et l'autre au diamant. Encore raté ! Il s'agit là encore de deux composés distincts, de formules AlB12 et B48C2Al respectivement.

Les physiciens sont eux aussi à la peine pour le définir. Avec ses trois électrons de valence, il se situe, dans le tableau périodique des éléments, entre les métaux et les isolants, seulement plus près des premiers que des seconds. De minuscules modifications de température ou de pression, voire la seule présence d'impuretés, suffisent à le faire passer d'un état à un autre.

Il faudra attendre 1909 pour que l'on obtienne du bore pur à 99%. Il n'en reste pas moins que 16 formes de bore sont connues, même si là encore on soupçonne la présence d'impuretés. Rappelons qu'i existe une molécule PuB100, donc constituée d'un atome de plutonium entouré de 100 atomes de bore. Cette construction rarissime illustre à elle seule la difficulté d'obtenir du bore pur ou quasi pur tout autant que d'en étudier les propriétés.

Un atome caméléon

En 2004, Jiuhua Chen et Vladimir Solozhenko ont obtenu un étrange matériau à base de bore à une pression de 100.000 atmosphères mais ne pouvaient en préciser ni la structure ni la composition. Ils se sont alors tournés vers le grand théoricien de la cristallographie Artem Oganov, dont on a récemment entendu parler après ses travaux sur le germane.

Artem Oganov et une représentation du réseau cristallin du bore ionique. Crédit : AZoNano.com

Oganov a utilisé un programme informatique faisant intervenir les équations de la mécanique quantique pour simuler ce qui avait dû se passer durant ces expériences à hautes pressions. Il a pu faire une série de prédictions ensuite confirmées par les analyses de Carlo Gatti, un chimiste de l'université de Milan.

Il a fallu se rendre à l'évidence. On était en présence d'un cristal ionique presque pur de bore ! Un tel résultat semble de prime abord absurde car un cristal ionique nécessite deux atomes avec des électronégativités différentes. Mais la nature est astucieuse.

Aux pressions des expériences (au moins jusqu'à 900.000 atmosphères d'après les calculs), deux types d'amas d'atomes se forment, présentant des propriétés électroniques bien différentes. Apparaissent ainsi des associations d'icosaèdres B12 et de paires B2 qui s'organisent comme les atomes de sodium et de chlore dans le sel de cuisine, l'archétype du cristal ionique.

Les détails de la découverte sont dans Nature.