DES MICROCRISTAUX FISSURÉS QUI SE RESSOUDENT ET PIÈGENT À NOUVEAU LA LUMIÈRE

Les composants photoniques rapetissent : guides qui transportent la lumière, résonateurs qui la piègent, lasers. À cette échelle, une fissure microscopique suffit à les abîmer. La façon dont les fissures naissent et se réparent dans les cristaux optiques organiques reste, écrivent les auteurs, « largement inexplorée ».

Les cristaux qui réparent leurs propres fissures sont, selon leurs mots, « un phénomène rare et remarquable ». Parmi les exemples cités dans l’article : le sel gemme, le chlorure de potassium et l’alumine, ainsi que plusieurs cristaux moléculaires. Mais la plupart mesuraient de quelques millimètres à quelques centimètres et se manipulaient à la pince et à l’aiguille. Certains se réparaient lentement : des cristaux d’environ 3 millimètres n’ont récupéré que 6,7 % après avoir été comprimés pendant 24 heures. D’autres, en forme d’aiguille, se ressoudaient en quelques millisecondes.

Une pointe de microscope pour marteau

Melchi Chosenyah, Rajadurai Chandrasekar et leurs collègues de l’université d’Hyderabad et de l’université centrale du Karnataka, en Inde, sont descendus à l’échelle où les cristaux servent de composants optiques. Ils ont utilisé un composé organique appelé HDMAC, qui brille en orange-rouge sous ultraviolet, avec une émission centrée sur 660 nanomètres. Déposée en goutte sur une lamelle de verre, sa solution forme de fins cristaux carrés et rectangulaires de quelques dizaines de micromètres.

Leur outil : la pointe d’un microscope à force atomique — un instrument qui tâte les surfaces avec une pointe extrêmement fine au bout d’un minuscule bras souple —, qui sert à la fois à fissurer les cristaux de façon contrôlée et à repousser les morceaux l’un contre l’autre. Les auteurs ont emprunté leur vocabulaire aux fractures des os : une fissure transverse traverse le cristal, une longitudinale le suit dans sa longueur, une oblique le coupe en diagonale ; une avulsion arrache un petit fragment.

Des morceaux qui se ressoudent

Dans un cristal d’environ 13,7 sur 12,5 micromètres, une fissure en diagonale a disparu quand le côté du cristal a été poussé vers l’intérieur. Au microscope électronique, la réparation était presque sans couture, avec une ligne pâle à fort grossissement. Seul l’endroit où un fragment avait été arraché est resté non réparé.
Un cristal d’une vingtaine de micromètres de long a été cassé en deux morceaux séparés. Réalignés et pressés l’un contre l’autre, ils se sont ressoudés immédiatement. Poussé ensuite par la pointe, le cristal s’est déplacé d’un seul bloc.
Des fissures le long de deux plans cristallins différents se sont toutes deux réparées. Presque tous les microcristaux se sont réparés quand les surfaces cassées restaient propres ; une poussière de minuscules débris à la cassure gênait la réparation.
Un gros cristal en forme de paillette, au même empilement moléculaire, a volé en éclats au lieu de se fissurer proprement, et ne s’est pas réparé.

Combien de lumière revient

Les cristaux allongés servent de guides d’onde : la lumière émise à un bout voyage jusqu’à l’autre. Dans un cristal de 271 micromètres de long, l’équipe a envoyé un laser de 405 nanomètres à un bout et recueilli la lueur guidée à l’autre, avant la fissure puis après réparation. La comparaison donne une « efficacité de réparation » d’environ 80 %. Sur six cristaux de ce type, elle allait de 32 % à 99 %. Les pertes venaient de la lumière diffusée par la fissure réparée, surtout là où manquaient des fragments.

Un résonateur rétabli

Les cristaux fins servent aussi de résonateurs : leurs faces du haut et du bas jouent les miroirs, si bien que seules certaines couleurs de lumière s’accumulent entre elles. Plus le cristal est fin, plus ces résonances sont espacées. Un cristal de 31 sur 28 micromètres, épais de 1,8 micromètre, montrait des résonances espacées de 17,8 nanomètres en longueur d’onde, c’est-à-dire en couleur.

L’équipe l’a fissuré dans sa longueur, en son milieu, sans le séparer. Au niveau de la fissure, les résonances étaient fortement atténuées. Après réparation, elles sont revenues, avec un spectre identique à celui du cristal intact. Des images de fluorescence prises tranche par tranche, tous les 257 nanomètres, ne montraient une trace pâle de la fissure que dans les couches du haut ; au-delà d’environ 770 nanomètres de profondeur, l’intérieur paraissait réparé.

Plus mou à la soudure

Une pointe de diamant appuyée avec la même force s’est enfoncée de 95 nanomètres dans les zones intactes et de 115 nanomètres dans la zone réparée. La raideur de la zone réparée, son module d’Young, est passée de 2,15 à 1,49 gigapascal, environ deux tiers de la valeur d’origine, et sa dureté a à peu près diminué de moitié. Elle reprenait encore en partie sa forme une fois la charge retirée.

Qu’est-ce qui tient les morceaux ensemble ? Des calculs des forces entre molécules montrent des chaînes continues d’attraction le long des deux plans de réparation : des liaisons hydrogène entre molécules et des attractions dipolaires entre couches voisines, que les auteurs voient comme l’une des forces motrices.

Les auteurs insistent : aucun chiffre unique ne résume une efficacité de réparation, car la taille du cristal, le type de fissure et la qualité du réalignement changent tous le résultat. Leur but : des composants optiques qui survivent aux dommages — des cristaux lumineux qui, une fois cassés, peuvent reprendre du service.