DU FLOCONS AUX CRISTAUX. CHAMBLAS/GILLES/PEYRICHOU.

A/ PROCESSUS

Nous nous sommes intéressé en premier temps aux flocons pour ensuite nous rediriger vers les cristaux notre objet d'étude final.

Le Flocon : élément de la nature d’organisation fractale

Composition / évolution / milieu :

Le flocon de neige est un agrégat de cristaux de glace, chacun environ 10 millions de fois plus petit que lui, qui tombe à travers l’atmosphère terrestre sous forme de précipitation.

Leur formation débute d’abord par des cristaux de neige qui se développent lorsque des gouttelettes microscopiques (10 µm de diamètre) en surfusion (températures inférieures à -18 °C) gèlent dans un nuage.

Les flocons de neige apparaissent dans de multiples variétés de tailles et formes. Des formes complexes se développent suivant les régimes de température et d’humidité rencontrés par les flocons.

A noter que les flocons individuels ont une structure presque unique.

Certaines précipitations peuvent, par le phénomène de dégel et de regel, tomber sous la forme d’une boule, telles la neige roulée, le grésil ou la neige en grains.

Wilson Alwyn Bentley ( 1865 – 1931 ) fut le premier à réussir à photographier la structure d’un flocon de neige.

Processus de formation:

  

Ce flocon de Von Koch est un des exemples les plus utilisés de fractales : la reproduction des triangles est infinie, même si la surface est finie. On retrouve toujours cette propriété d’autosimilarité.

De même, le flocon de Koch se dessine à partir d’un triangle équilatéral : pour chacun des côtés de ce triangle on effectue les étapes vues précédemment pour la courbe. Le périmètre du flocon est infini : il est égal à 3 x 4/3 x 4/3 x 4/3 x 4/3 … C

 Cependant, si l’on trace un cercle autour du triangle initial : l’aire du flocon sera toujours

inférieure à celle de ce cercle.

Si l’on modifie le degré des angles du triangles, on peut reellement reproduire toutes les formes de flocons. (Ci-dessus, des degrès différents)

Les cristaux:

N’ayant pas les moyens de travailler à une telle échelle, nous avons du trouver un autre processus comparable à la formation d’un flocon de neige et visible à l’oeil nu. Nous nous sommes donc penchées sur les cristaux.

La création d’un flocon de neige est comparable à la création d’un cristal bien que leur développement se fasse à des températures très différentes.
Comme nous l’avons dit précédemment les flocons de neige proviennent de l’accumulation de cristaux de neige créés dans de microscopiques gouttelettes. Un cristal se forme par l’accumulation de minuscules cristaux, sa formation suit donc les mêmes étapes.

Pour comprendre comment sont apparus les cristaux il faut remonter quelques millions d’années en arrière, quand la Terre n’était alors qu’une masse de gaz brûlants sans cesse en mouvement. Ces gaz ont refroidi et sont devenus liquide. La formation des cristaux commence alors. Si ce liquide refroidit très lentement, la roche que l’on obtiendra à la fin sera constituée dans sa totalité de cristaux, très précieux.

En revanche, si ce liquide refroidit rapidement, les cristaux seront peu nombreux et peu précieux. C’est pour cela que sous nos pieds se trouvent une infinité de cristaux, étant proche du magma, ils refroidissent très lentement.

Tout comme les flocons de neige, les cristaux peuvent avoir une variété de tailles et de formes importante selon les régimes de température qu’ils rencontrent.

Famille quadratique       isométrique               monoclinique              triclinique             hexagonale

La forme des cristaux dépend d’une multitude de critères, de la température forcement mais aussi des éléments aux alentours. Tout comme les flocons, les cristaux sont connus pour une propriété fondamentale : leur symétrie qu’il est possible de classer selon leur formes.

Pour réaliser nos expériences nous avons dans un premier temps utilisé des cristaux faciles d'utilisation et accessibles comme le sel et le sucre, nous avons également tenter de réaliser de la glace chaude . Après plusieurs échecs nous sommes munis d'un kit ludique de formation de cristaux, nous avons ainsi pu nous focaliser sur l'expérimentation en ajoutant des ingrédients ou modifiant la composition proposé. Les modifications et les éléments ajoutés auront pour conséquence de modifier l’aspect du cristal.

1ERE EXPERIENCE : REALISER DES CRISTAUX DE SEL/ ECHEC 1

Etapes :

1/ Dans le verre doseur, mesurer 100 mL d’eau

2/ A l’aide de la balance, peser 30 g de sel

3/ Dissoudre le sel dans l’eau

4/ Verser un peu de cette solution dans un récipient

En mélangeant le sel et l’eau, nous avons réalisé une dissolution.

Sous l’effet du soleil ou de la chaleur, l’eau s’évapore.

Le sel restant au fond du récipient, des cristaux de forme carrée sont censés se former.

 

Conclusion: après ce premier échec nous avons réessayer cet expérience en remplaçant le sel par le sucre.

2EME EXPERIENCE: REALISER DES CRISTAUX DE SUCRE/ ECHEC 2

Etapes:
1 /Versez 12 cuillères à soupe de sucre dans un verre
2/ Ajoutez 5 cuillères à soupe d'eau au fur et à mesure pour que le sucre soit dissout
3/Continuez et ajoutez de l’eau jusqu’à ce que la solution soit saturée
4/Y trempez un trombone en équilibre à l’aide d’un fil en coton et d’un crayon.

Les cristaux étaient sensé se former sur le trombone au bout de deux jours.

Conclusion: après ces deux échecs, nous avons décider de changer de méthode. Nous nous sommes procuré un kit ludique pour créer des cristaux. Nous ne voulions pas au départ nous procurer ce genre de kit, pensant nous faciliter trop le travail, ne voyant pas comment agir et intervenir sur la forme des cristaux.



3EME EXPERIENCE : REALISER DE LA GLACE CHAUDE/ ECHEC 3

Ingrédients :

- de l’eau

- acétate de sodium (vinaigre blanc / bicarbonate de sodium)

Etapes :

1/  réaliser de l’acétate de sodium:  verser 80g de bicarbonate de sodium dans 650ml de vinaigre blanc,

porter à ébullition jusqu’à l’apparition de dépôts. On obtient une poudre appelée acétate de sodium.

Dans le verre où on a trempé le doigt, une formation cristalline se propage depuis l’endroit de contact du doigt avec la solution. La solidification se propage ainsi dans l’ensemble du récipient.

2/tentative de fabrication de la glace chaude: verser l’acétate dans de l’eau, aller jusqu’à la dissolution complète

Conclusion: aucune glace chaude ne se crée lorsque l'on touche la solution, cet échec est surement du aux manques de précision dans les dosages.

Après trois expériences "artisanales" nous nous sommes décidé a acheter le fameux kit pour entamer une nouvelle série d'expériences.

4EME EXPÉRIENCE : RÉALISER DES CRISTAUX (LA CITRINE)

La citrine est une variété de quartz, dont la couleur jaune est due à la présence d’infimes quantités d’oxydes de fer dans le minéral.

La citrine se trouve assez rarement à l’état naturel. Le plus souvent il s’agit d’améthyste chauffée qui prend une couleur jaune au lieu de violette.

Etapes:

1/ déposer une roche, un support dans un bocal qui recevra la lotion

2/ insérer la lotion dans de l’eau et mélanger jusqu’à dissolution

3/ porter à ébulition la solution, puis laisser reposer 30 minutes

4/ verser la solution dans le bocal

Conclusion: cette expérience nous a permis de comprendre et de voir de plus près la formation des cristaux, nous en avons conclus que sa formation prend du temps à compté une semaine pour voir des résultats à l'oeil nu, que son déploiement est aléatoire. Gràce à cette expérience nous pouvons nous aventurer dans l'expérimentation

SERIE D'EXPERIENCE : REALISER DES CRISTAUX en contrôlant leurs déploiement 

Pour cette série d'expérimentations, nous nous focaliser sur les contraintes de formes.

1ère expérience
Nous avons verser la solution dans un moule de forme triangulaire en espérant que celui ci agisse sur la forme des cristaux.
Conclusion: au bout du 3ème jour la solution se solidifie, les cristaux commencent à se former en prenant la forme du récipient dans lesquels ils reposent. La solution se décompose tout en se développant à l’intérieur de son récipient.

              

Nous nous sommes demander comment les cristaux allaient ils se déployer sans contraintes de forme. Nous avons ainsi enlever les cristaux solidifiés du moule pour voir leurs évolution dans un environnement libre.

Conclusion: la solution est toujours décomposée, les cristaux ce sont cependant développés vers l’extérieur, aucune forme ne venant altérer leur expansion.

2ème expérience:

Nous avons fabriqué un moule carré en plastique. Nous y avons ajouter la solution.

                                          1er jour

                                         3ème jour: La solution commence à se solidifier

                                        6ème jour: en se solidifiant, les cristaux ont exercé une
                                         force vers l'extérieur. Ils se sont déployés en dehors du
                                          moule.

 Conclusion: le moule réalisé en plastique n'a pas résisté au déploiement des cristaux. La forme généré est à la fois contrôlé avec le moule(carré) et aléatoire car celui-ci a cédé au bout de 3 jours.



3ème expérience:

L'expérience précédente nous a montré l'importance du moule, des contraintes de forme apporté à la formation des cristaux. Nous avons donc changé la texture du moule, nous avons utilisé de la colle et de l'huile dans un second temps. Nous avons observer la réaction des cristaux par rapport à une nouvelle texture.
                                       

                                          Colle

                                         1er jour

                                          3ème jour: les cristaux se sont solidifiés. Nous n'observons
                                           aucun changement de forme



                                                   huile

                                                    1er jour

                             5ème jour: les cristaux se sont développés mais de façon contrôlé. L'huile a comme emprisonné la forme initial mais à permis aux cristaux de se développé de manière compact vers l'extérieur.




4ème expérience:

Les morceaux de plastiques agissent ici comme un coffrage.