Jusqu’à présent dans cette série, presque tous les matériaux que nous avons abordés ont dû subir un processus industriel important pour passer de leur état naturel à un produit plus utile. Qu’il s’agisse de la transformation de la bauxite d’une argile brun rougeâtre en lingots d’aluminium brillants, ou de l’extraction du soufre solide du pétrole et du gaz naturel, il n’y a pas eu beaucoup d’exemples de matériaux commercialement utiles extraits de la Terre et utilisés dans leur état naturel. .
Le quartz constitue cependant, au moins partiellement, une exception à cette règle. Une fois ses propriétés électriques inhabituelles comprises, le quartz cristallin était envoyé directement des carrières et des mines aux usines, où il était transformé en dispositifs piézoélectriques sans aucune transformation chimique. La magie de la formation des cristaux avait déjà été réalisée par des processus naturels ; il suffisait de le trancher et de le couper en dés.
Il s’avère cependant que le quartz est si extrêmement utile pour une société technologique qu’il n’existe aucun moyen pour l’offre de cristaux formés naturellement de répondre à la demande. Comme le cuivre avant lui, qui a été découvert pour la première fois dans des gisements métalliques naturels pouvant être transformés plus ou moins directement en outils et en décorations, nous aurions besoin de découvrir différentes sources de quartz et d’inventer des transformations chimiques pour créer nos propres cristaux, en nous inspirant des idées de Mère Nature. livre de recettes en route.
Des cristaux partout
Ramassez une roche presque n’importe où sur Terre et il y a de fortes chances qu’elle contienne au moins du quartz. Le quartz est le deuxième minéral le plus abondant dans la croûte continentale et est présent à la fois sous forme de cristaux visibles, allant d’immenses affleurements pesant des tonnes jusqu’aux grains de sable de plage, et sous forme de cryptocristaux si petits qu’il faut un microscope pour les voir. qui sont cachés dans d’autres roches, comme le silex.
Chimiquement, le quartz est du dioxyde de silicium presque pur (SiO2). Lorsqu’il n’y a pas d’impuretés, le quartz pur est limpide et souvent appelé « cristal de roche ». Les impuretés peuvent donner au quartz transparent de belles teintes, comme la citrine jaunâtre (fer) ou le quartz rose (titane, fer et manganèse). Les inclusions et les gaz piégés peuvent rendre le quartz translucide (quartz laiteux) et l’irradiation naturelle peut même agir sur l’aluminium parasite dans la matrice cristalline et la rendre grise (quartz fumé).
Les cristaux de quartz naturel ont généralement un corps long avec une section hexagonale avec des calottes pyramidales à six côtés à chaque extrémité. Des affleurements de cristaux de quartz peuvent être trouvés partout dans le monde, avec des exemples notables dans les montagnes Ouachita de l’Arkansas, où les chiens de roche récoltent des cristaux aux proportions souvent ridicules, et dans la vallée de la Mohawk à New York, où se trouve le mal nommé « diamant Herkimer ».
Au-delà de ses charmes esthétiques, et au mépris des pouvoirs mystérieux revendiqués par les amateurs de cristal, le quartz a de nombreuses utilisations industrielles. Son abondance de silicium en fait la matière première idéale pour la production de plaquettes de silicium, et le verre de quartz fondu composé de dioxyde de silicium presque pur est utilisé pour tout, des fibres de communication optique aux creusets utilisés pour faire fondre le silicium pour la méthode Czochralski de croissance des lingots de silicium monocristallin.
Le naturel n’est pas toujours meilleur
L’effet piézoélectrique, propriété de certains cristaux de vibrer à une fréquence caractéristique lorsqu’une tension est appliquée à leurs bornes (et vice versa), est connu depuis les expériences des frères Curie dans les années 1880, le quartz étant l’un des principaux cristaux. sur lesquels ils se sont concentrés. La piézoélectricité a prouvé son utilité pour la première fois lors de la Première Guerre mondiale, avec la guerre sous-marine et le besoin de transducteurs ultrasoniques pour les sonars. Peu de temps après, les deux explosions de radio et de téléphone d’après-guerre ont accru la demande d’oscillateurs à cristal de quartz. Presque tout le quartz nécessaire à ces composants a été récolté à partir de cristaux naturels, principalement du Brésil et des carrières de l’Arkansas, à partir desquels des dalles brutes ont été minutieusement découpées, polies et traitées pour fabriquer des composants piézoélectriques finis.
Mais ensuite survint la Seconde Guerre mondiale et la demande de cristaux de quartz naturels explosa. Le quartz était un matériau essentiel pour la guerre, et l’offre de quartz naturel suivait à peine la demande, d’autant plus que les cristaux devaient répondre à des exigences strictes en matière de pureté et de caractéristiques physiques, telles que l’absence de fissures et d’inclusions. Il était clair également que la période d’après-guerre allait connaître une demande encore plus forte pour le quartz grâce à un marché de l’électronique grand public en plein essor, ainsi qu’à l’expansion continue du réseau téléphonique et aux téléviseurs de dernière génération qui faisaient leur apparition.
Considérant le processus intensément manuel de récolte du quartz naturel comme une menace pour l’avenir du réseau téléphonique, les ingénieurs et les scientifiques des Bell Labs, la branche R&D d’AT&T, ont commencé à rechercher à la fin des années 1940 des méthodes à l’échelle commerciale pour fabriquer des cristaux de quartz artificiels. La synthèse artificielle de cristaux existe depuis la fin des années 1800, mais uniquement à l’échelle microscopique. Ils avaient besoin d’un moyen de faire pousser de gros cristaux, et un grand nombre d’entre eux, avec des points bonus si la méthode était bon marché et facile à mettre à l’échelle industrielle.
La méthode qu’ils ont imaginée, la synthèse hydrothermale, est essentiellement un moyen de reproduire les conditions dans lesquelles les cristaux de quartz naturels se sont formés à l’origine. Il utilise une chaleur modérée – environ 300 °C environ – mais une pression énorme – de l’ordre de 20 000 psi (137 mPa). Le récipient sous pression utilisé doit être extrêmement résistant ; les murs ont souvent une épaisseur de près de 30 cm et sont dotés d’éléments chauffants intégrés. Mais pour alimenter ces récipients, un stock approprié de matériaux est nécessaire, et il s’avère que les qualités inférieures de quartz naturel constituent le point de départ idéal pour les cristaux synthétiques.
Il faut du quartz pour fabriquer du quartz
Les premières étapes de l’exploitation commerciale du quartz ressemblent beaucoup à de nombreuses méthodes d’extraction que nous avons examinées jusqu’à présent. La plupart du quartz de qualité non électronique, connu sous le nom de lascas, est récolté dans des mines à ciel ouvert. Les morts-terrains sont enlevés à l’aide de machinerie lourde et parfois d’explosifs – bien que le dynamitage ne soit jamais utilisé sur le quartz lui-même, pour éviter les dommages dus à un chauffage soudain et intense – et le quartz est transporté pour être traité.
Après concassage, lavage, dimensionnement et traitement chimique avec divers acides pour dissoudre les minéraux indésirables, les lascas à quartz peuvent être expédiées à des fabricants spécialisés dans la transformation de cette poudre de quartz de haute pureté mais désordonnée au niveau supérieur : le quartz synthétique.
Pour démarrer la synthèse hydrothermale, du quartz broyé est déposé au fond du récipient sous pression et surmonté d’une chicane perforée. De l’eau est ajoutée dans le récipient avec une petite quantité de minéralisant – soit de l’hydroxyde de sodium, soit du carbonate de sodium. Le travail du minéralisateur consiste à dissoudre le dioxyde de silicium contenu dans le quartz en silicate de sodium :
Dans la boue contenue dans la chambre de pression est descendu un cadre robuste auquel plusieurs fines feuilles de quartz ont été fixées. Ces feuilles, découpées selon l’orientation cristalline appropriée pour la propriété piézoélectrique souhaitée, servent de germes de cristaux sur lesquels les cristaux synthétiques se développeront.
Une fois le récipient chargé et scellé, le chauffage commence. Un gradient s’établit, avec davantage de chaleur appliquée au fond du récipient. L’eau riche en silice contenue dans le récipient bout, générant de la vapeur qui augmente progressivement la pression à l’intérieur de la chambre. La convection fait circuler le fluide de traitement à travers la chambre vers la zone plus froide située au sommet ; là, les silicates sont moins solubles, ce qui les amène à se déposer sur les germes cristallins et à poursuivre leur croissance. La synthèse est un processus lent ; les cristaux n’ajoutent qu’environ un demi-millimètre de nouveau matériau chaque jour, ce qui signifie que la création d’un cristal synthétique commercialement utile peut prendre des mois. Des économies d’échelle sont réalisées en rendant les chambres de synthèse massives, suffisamment grandes pour créer des centaines de cristaux à la fois.
Une fois la synthèse terminée, les cristaux de dioxyde de silicium pur à 99,9999 % pèsent environ huit kilogrammes et ont la taille de votre tête. Les cristaux de quartz synthétiques ne ressemblent en rien à leurs homologues naturels ; plutôt que le long corps hexagonal et les calottes pyramidales des cristaux naturels, ils sont plus trapus, ayant poussé vers l’extérieur des deux faces de la feuille de cristal de graine, et les facettes du cristal ont un aspect festonné. Le cristal germe est également souvent visible dans le cristal clair.
Une fois que les cristaux synthétiques ont fini de croître, ils doivent être traités. Les cristaux sont d’abord broyés à plat dans le plan parallèle au cristal germe situé à l’intérieur. Les scies diamantées coupent ensuite le cristal en fines tranches perpendiculaires à la face meulée, appelées bois d’œuvre. Après avoir retiré la section étroite du cristal de graine du milieu, une scie diamantée coupe le bois en fines tranches juste à l’angle droit à travers le cristal. Ces tranches subissent ensuite des opérations répétées de rodage, de découpage et de test pour ajuster leurs propriétés piézoélectriques avant de se retrouver dans un oscillateur à cristal intégré ou un autre composant cristallin fini.
