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Comment faire des cristaux de bismuth

Cristaux de bismuth

Le bismuth (élément n°83 du tableau périodique) forme des cristaux en trémie magnifiquement colorés et géométriquement complexes, montrés dans l’image de gauche, lorsqu’il refroidit et se solidifie lentement à partir de son état fondu.

La forme distinctive, « en trémie », d’un cristal de bismuth résulte d’un taux de croissance plus élevé autour de ses bords extérieurs que sur sa face intérieure. Le taux de croissance plus élevé sur les bords forme un cristal qui semble être partiellement creusé dans un design de marche d’escalier en spirale rectangulaire.

La gamme de couleurs accrocheuses du cristal résulte de la formation d’une fine couche d’oxyde sur sa surface. Les couleurs des cristaux de bismuth apparaissent de manière similaire à celles d’une bulle de savon ou d’une fine pellicule d’huile sur l’eau : la lumière se réfléchissant sur le haut et le bas du film produit des maxima d’interférence d’une couleur particulière selon l’épaisseur du film. Une fine couche d’oxyde de bismuth sur le cristal de bismuth, par ailleurs pur, provoque une interférence constructive de la lumière de certaines longueurs d’onde lors de la réflexion, ce qui donne lieu à la couleur observée à la surface. En raison des variations de l’épaisseur de la couche d’oxyde, le cristal n’est pas d’une couleur unie mais plutôt un arc-en-ciel de couleurs correspondant aux longueurs d’onde (et aux couleurs) de la lumière qui interfèrent de manière constructive à chaque endroit.
Pour une explication plus approfondie de ce phénomène, recherchez le sujet de l’interférence en couche mince.

Croissance de cristaux de bismuth

Pour faire croître des cristaux de haute qualité, il faut utiliser du bismuth métallique très pur. Une pureté de 99,99% de Bismuth, ou mieux, est préférable pour la croissance de cristaux de haute qualité.

Un autre facteur important qui affecte la qualité et la taille des cristaux de Bismuth est le temps de refroidissement. Des cristaux plus grands peuvent être produits en laissant le Bismuth refroidir et se solidifier lentement à partir de son état fondu.

Le point de fusion du Bismuth est relativement bas par rapport à d’autres métaux, à seulement 271 °C (520 °F), ce qui est assez bas pour le faire fondre facilement à l’aide d’une petite torche au propane ou même d’une plaque chauffante de laboratoire. N’oubliez pas, cependant, que vous avez toujours affaire à du métal fondu très chaud, qui peut couler et éclabousser comme n’importe quel liquide et peut causer des brûlures douloureuses.

Selon le volume de Bismuth utilisé, une variété de récipients conviennent pour contenir le Bismuth pendant sa fusion. Une tasse à mesurer en acier, de taille petite à moyenne, s’est avérée bien fonctionner pour préparer les cristaux de Bismuth.

Étape 1 : Fusion du Bismuth

Placez des morceaux de Bismuth dans un gobelet doseur en acier et faites-les fondre sur une plaque chauffante à haute température.

A mesure que le Bismuth fond, la surface exposée du liquide s’oxydera facilement en raison de la température élevée et de la présence d’oxygène dans l’air ambiant, ce qui entraînera la formation d’une « peau » grise sur la surface supérieure ; c’est normal.

Étape 2 : Verser le Bismuth fondu

Après que le Bismuth ait fondu, versez lentement et soigneusement le Bismuth liquide dans une autre tasse à mesurer en acier propre et préchauffée.

En transférant le Bismuth dans un nouveau récipient, on peut enlever la peau épaisse d’oxyde qui s’est formée à la surface du Bismuth et qui peut affecter négativement la croissance des cristaux. On peut verser lentement le Bismuth liquide propre et argenté sous la couche d’oxyde grise qui reste derrière dans le récipient d’origine.

Étape 3 : Laisser le Bismuth refroidir

Mettre le Bismuth, dans son nouveau récipient, sur une surface bien isolée et résistante à la chaleur pour refroidir et commencer à se solidifier. Replacer le Bismuth sur la plaque chauffante (avec l’alimentation éteinte) permettra au Bismuth de refroidir très lentement en revenant à la température ambiante.

Peu de temps après avoir versé le Bismuth dans son nouveau récipient, une nouvelle couche d’oxyde deviendra visible. La nouvelle couche d’oxyde ne sera pas aussi épaisse que la couche précédente. Au fur et à mesure que la nouvelle couche d’oxyde s’épaissit, elle changera progressivement de couleur car les différentes longueurs d’onde de la lumière interfèrent de manière constructive après s’être réfléchies sur sa surface (pour la même raison que les cristaux de Bismuth eux-mêmes sont colorés).

Étape 4 : versement de l’excédent de Bismuth

Avant que le Bismuth ne se solidifie complètement, verser l’excès de Bismuth liquide dans un autre récipient. Ne laissez pas le Bismuth se solidifier complètement ; si l’on ne verse pas l’excès de liquide à temps, les cristaux seront piégés à l’intérieur du morceau de métal résultant.

Les cristaux se formeront et grandiront progressivement au fur et à mesure que le Bismuth gèlera. Un temps de croissance plus long donne généralement des cristaux plus grands. Mais si l’on attend trop longtemps, l’excès de Bismuth qui n’est pas encore entré dans la formation du cristal va se solidifier et piéger les cristaux qui se sont formés.

Il n’y a pas de temps fixe à attendre avant de verser l’excès de Bismuth puisqu’il varie en fonction des conditions de l’expérience. On peut tester l’état du Bismuth en tapant légèrement sur le récipient. Si des ondulations sont visibles à la surface, cela signifie que la majeure partie du bismuth est encore liquide. Au fur et à mesure que le bismuth gèle, les ondulations ont moins d’espace pour se déplacer et les zones où les cristaux se forment deviennent visibles. Veillez à ne pas trop perturber le Bismuth en train de refroidir car cela pourrait déclencher la formation de nouveaux cristaux ; au lieu de ne produire qu’un (ou quelques) gros cristaux, de nombreux cristaux beaucoup plus petits pourraient se former.

Il faudra peut-être plusieurs essais pour arriver à savoir quand verser l’excès de Bismuth liquide. Si l’on attend trop longtemps et que les cristaux sont piégés, il suffit de refondre le Bismuth et de réessayer. On peut même essayer d’utiliser l’excès de Bismuth qui est versé pour former des cristaux supplémentaires dans des récipients secondaires.

Étape 5 : Retrait des cristaux

Après avoir versé l’excès de Bismuth liquide, on devrait pouvoir voir les cristaux de Bismuth qui se sont développés à l’intérieur du récipient. La couleur des cristaux devrait se développer en quelques secondes lors de l’exposition à l’air alors qu’une fine couche d’oxydation se forme à leur surface. Les cristaux seront probablement collés au fond et aux côtés du récipient ; ils seront aussi probablement partiellement fusionnés avec du Bismuth non cristallin. Après qu’ils aient refroidi, on peut casser doucement les cristaux du Bismuth non cristallin à l’intérieur du récipient.

Laisser les cristaux se former sur les surfaces intérieures du récipient entraîne des imperfections inhérentes à la forme des cristaux, car il y aura toujours un point sur le cristal où il était précédemment attaché à cette surface. On peut éviter cette imperfection en utilisant un petit germe de cristal de bismuth suspendu dans le bismuth fondu pour servir de point de nucléation pendant la croissance du cristal. Ensuite, il suffit de retirer le cristal du Bismuth liquide plutôt que de verser l’excès de Bismuth dans un récipient séparé (comme à l’étape 4). Veillez à ne pas laisser le cristal d’ensemencement suspendu trop longtemps, car le bismuth pourrait se solidifier autour de lui et le rendre impossible à extraire. En outre, le cristal peut devenir si grand qu’il peut fusionner avec d’autres cristaux qui l’entourent, ce qui le piège également à l’intérieur.

Comme l’eau / la glace, le bismuth a la propriété intéressante de se dilater lorsqu’il se solidifie, ce qui fait que les cristaux de bismuth solides et non attachés flottent dans leur environnement plus dense et liquide.

Photos de grands cristaux de Bismuth

Vous trouverez ci-dessous une série d’images de trois grands cristaux de Bismuth dont la taille varie d’environ 1 pouce à 3 pouces de large. Il est certainement possible de faire pousser des cristaux beaucoup plus grands que ceux-ci.

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