Structure Cristalline et Défauts Cristallins (Biomatériaux Dentaire)

Structure Cristalline et Défauts Cristallins (Biomatériaux Dentaire)

Introduction

La matière solide peut être :

• Organisée : on parle de « cristal », c’est le cas des minéraux, métaux et céramiques.
• Sans ordre à longue distance : on parle de « matière amorphe », c’est le cas des verres et des polymères.

Un schéma bidimensionnel illustre la différence entre :

• SiO₂ cristallin
• SiO₂ amorphe

Définition d’un Cristal

Un cristal représente une classe importante de solides dans lesquels les mêmes atomes se répètent périodiquement dans les trois dimensions de l’espace. Le cristal forme alors un réseau.

Cristaux Parfaits et Réels

• Cristaux parfaits : Formés par la répétition périodique d’une maille élémentaire, ils sont des cristaux idéaux.

• Cristaux réels : Leur structure diffère, au moins localement, de cet arrangement périodique en raison de la présence de défauts de différentes natures.

Ces défauts peuvent être :

• Sans dimension (défauts ponctuels)
• À une dimension (dislocations)
• À deux dimensions (joints de grains)
• À trois dimensions (précipités)

Les Défauts Cristallins

Défauts Ponctuels

Les défauts ponctuels sont des défauts sans dimension, de l’ordre de la distance interatomique. Ils incluent trois types principaux :

Lacunes

Une lacune correspond à un site atomique inoccupé dans la structure. Les lacunes jouent un rôle fondamental dans la diffusion à l’état solide, qui engendre des déplacements d’atomes sur de longues distances et constitue la base des traitements thermiques.

Interstitiels

Les interstitiels sont des atomes qui s’insèrent dans les espaces vides du réseau cristallin. Si l’atome inséré est un atome du réseau cristallin lui-même, on parle d’auto-interstitiel. Ces défauts jouent un rôle important dans la constitution des alliages.

Atomes en Substitution

Un atome en substitution est un atome étranger qui se place à un nœud du réseau cristallin. Ce type de défaut est également crucial pour la constitution des alliages.

La présence de défauts ponctuels entraîne une distorsion locale du réseau cristallin et génère un champ de contrainte dans un volume du cristal supérieur à celui du défaut lui-même.

Défauts de Frenkel et de Schottky

Dans les cristaux ioniques, la création de défauts doit préserver la neutralité électrique du matériau. On distingue :

• Défauts de Schottky : Constitués d’une lacune anionique et d’une lacune cationique.
• Défauts de Frenkel : Constitués d’une lacune (cationique ou anionique) et d’un ion (anion ou cation).

Défauts Linéaires (Dimension 1)

Les défauts linéaires, ou dislocations, représentent des distorsions locales du réseau le long d’une ligne ou d’une rangée réticulaire (lignes de dislocations). On distingue :

• Dislocations coin : Caractérisées par la frontière d’un demi-plan supplémentaire dans l’espace, elles provoquent une distorsion élastique avec un cœur de dislocation.
• Dislocations vis : Elles entraînent une distorsion élastique en spirale autour d’une ligne.
• Dislocations mixtes : Présentant à la fois des caractéristiques de dislocations coin et vis.

Défauts Surfaciques (Dimension 2)

Les défauts surfaciques incluent :

• Surfaces libres : Perturbation du voisinage des atomes de surface qui ont perdu certains de leurs voisins.
• Interfaces entre grains ou phases différentes : Elles peuvent être :
  • Cohérentes : Alignement parfait des réseaux.
  • Semi-cohérentes : Cohérentes presque partout, avec un réseau de défauts.
  • Incohérentes : Sans alignement des réseaux.

La désorientation entre les cristaux peut être observée par micrographie optique, notamment après une attaque acide qui creuse les joints de grains.

Défauts Volumiques (Dimension 3)

Les défauts volumiques incluent principalement :

• Cavités : Provenant de l’élaboration du matériau (par exemple, frittage des céramiques, métallurgie des poudres, ou capillaires de fluide pour les cavités).
• Phases non désirées : Matériaux indésirables formés lors de l’élaboration.
• Inclusions : Morceaux de matière étrangère, comme des particules provenant d’un creuset.

Ces défauts peuvent résulter de l’élaboration du matériau ou de son endommagement lors de l’utilisation. On trouve également des défauts géométriques tels que :

• Les « cordes » dans les verres.
• L’hétérogénéité de taille des bulles dans les matériaux mousseux.

Une micrographie électronique peut révéler la présence de pores, par exemple sous une couche d’oxyde écaillée.

Structure Cristalline et Défauts Cristallins (Biomatériaux Dentaire)

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