Comment les coraux adaptent-ils les lois de la cristallographie?

Lundi, 2 Novembre 2009

Le squelette du corail rouge, qui prend des formes arborescentes variées, est constitué de briques élémentaires qui ne sont rien d'autres que des microcristaux de calcite magnésienne. Comment ces animaux gèrent-ils les lois de la cristallographie pour élaborer des formes aussi complexes ? Cette question qui relève du domaine de la biominéralisation connaît depuis quelques années un intérêt croissant du fait de nouveaux outils d'investigation, et du développement des recherches sur les matériaux biomimétiques et les nanoparticules. L'étude par microscopie électronique à balayage (MEB), diffraction d'électrons retrodiffusés (EBSD) et microscopie électronique à transmission (MET) du squelette du corail rouge de Méditerranée menée par une équipe du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CNRS, Universités d'aix marseille) associée à des chercheurs de l'Insitut de Ciencies del mar (Barcelone) et du California Institute of Technology (EU) permet de comprendre l'agencement des cristaux de calcite qui aboutit aux formes libres du corail. De nouveaux concepts de structures cristallines sont discutés dans cet article à paraître dans l'American Mineralogist.


Dans cet article, les auteurs caractérisent la structure et l'ultra-structure cristallographique du squelette du corail rouge précieux de Méditerranée. Pour la première fois dans les biominéraux (minéraux synthétisés par des organismes vivants), on observe un ordre cristallographique à longue distance (de l'ordre de quelques mm) constitué par une organisation hiérarchique comprenant huit niveaux de modules cristallins. Chaque module est constitué de modules plus petits, et constitue lui-même un élément d'un plus gros module.

Ces modules sont orientés de façon similaire, mais pas strictement identique. Les études EBSD et MET indiquent que plus la taille du module est petite, plus l'ordre cristallographique se rapproche de la perfection. Le degré de désorientation augmente donc progressivement de l'échelle du nanomètre jusqu'à l'échelle millimétrique, où l'on observe encore un ordre partiel.

Ces observations coïncident avec l'émergence du concept de 'mesocristal', introduit au début des années 2000 (voir Cölfen et Antonietti, 2005). Un mésocristal désigne une superstructure résultant de l'auto-organisation tri-dimensionnelle de particules cristallines orientées de façon similaire. Les auteurs du travail sur le corail rouge complètent ici ce concept par la notion de 'modularité multi-niveaux', synonyme de structure auto-similaire hiérarchisée. Cette modularité permet de mieux comprendre l'apparition de formes complexes dans les biominéraux, en particulier la concavité, à partir de briques cristallines élémentaires.

L'existence de plusieurs niveaux cristallographiques avec la possibilité de faibles différences d'orientation entre chaque module conduit à l'émergence de formes complexes : les lois de la cristallographie régissent par un schéma simple la construction de chaque module, la présence d'interfaces permet l'écart du nouveau module par rapport à l'orientation du précédent. Cette modularité multi-niveaux explique l'apparente contradiction d'un ordre cristallographique à longue distance aboutissant à des objets aux formes complexes.

Une idée largement répandue dans la communauté des biominéralogistes est que l'apparition de formes complexes dans les biominéraux résulterait de l'existence dans bon nombre de biominéraux d'une phase amorphe de carbonate de calcium précoce pouvant être 'moulée' sous n'importe quelle forme (Weiner et al, 2005). Pour Daniel Vielzeuf, Nicole Floquet et leurs collègues, si une telle phase peut exister dans les stades précoces de cristallisation de nombreux biominéraux, elle ne joue pas de rôle majeur dans la morphologie finale des coraux de Méditerranée étudiés. Pour ces auteurs, au contraire, c'est l'association d'un ordre cristallographique et d'interfaces de faible désorientation à tous les niveaux qui permet une liberté de formes. C'est en jouant sur la taille des modules et la désorientation des interfaces que certains organismes élaborent des structures biominérales cristallisées aux formes complexes.

Le développement de nanomatériaux aux formes complexes est un défi actuel pour les sciences des matériaux. Il trouve des applications dans de nombreux domaines (microélectronique, capteurs chimiques et biologiques, catalyse, conversion et stockage d'énergie, cellules photovoltaïques, batteries, stockage d'hydrogène, matériaux luminescents, transport de principes actifs). Bien qu'il soit devenu possible depuis quelques années d'imiter quelques principes basiques de la biominéralisation, le contrôle subtil du processus de cristallisation et la synthèse de matériaux avec une structuration hiérarchique sur plusieurs ordres des grandeurs restent un défi. Il y a encore beaucoup à apprendre de la nature dans ce domaine (Cölfen, 2003). Les travaux présentés ici n'ont pas encore d'application en Science des Matériaux mais ils fournissent de nouvelles pistes pour l'élaboration de nouveaux matériaux cristallisés aux formes complexes et aux propriétés remarquables.

Source(s): 

Multilevel Modular Mesocrystalline Organization in Red Coral
Daniel Vielzeuf, Nicole Floquet, Dominique Chatain, Françoise Bonneté, Daniel Ferry, Joaquim Garrabou, Edward M. Stolper
American Mineralogist - Sous presse

Contact(s):
  • Nicole Floquet, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM)
    floquet [at] cinam [dot] univ-mrs [dot] fr, 04 91 17 28 00
  • Daniel Vielzeuf, Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille (CINaM)
    vielzeuf [at] cinam [dot] univ-mrs [dot] fr, 04 91 17 28 00

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