MICROCRISTALLISATIONS : CREATIONS DE LA NATURE 1

La photomicrographie en lumière polarisée permet d'obtenir des images aux couleurs somptueuses. C'est une technique journellement employée dans l'industrie et la recherche scientifique ( biologie, métallographie, géologie, pétrographie ) pour l'analyse qualitative de nombreuses substances. Contrairement aux apparences elle ne présente guère de difficultés réelles pour l'amateur mordu et tant soit peu bricoleur. Alors pourquoi pas vous, d'autant qu'elle est incontournable pour les heureux possesseurs de microscopes que nous sommes !

UN PEU DE THEORIE !

La lumière, qui est une oscillation électromagnétique de très courte longueur d'onde se propage, comme une onde radioélectrique ,selon tous les plans perpendiculaires à sa trajectoire. Or certains corps naturels, comme l'hérapatite ou le spath d'Islande, sciés et recollés au baume du Canada pour constituer des
 " nicols " ou filtres polarisants, possèdent la curieuse propriété de favoriser certains plans de propagation par rapport aux autres. La lumière  ayant traversé un tel filtre est dite
polarisée. L'œil humain ne différencie pas  ce type de rayonnement, mais certains insectes ( notamment les abeilles ) y sont très sensibles. Cela leur permet de différencier les diverses espèces de fleurs, et même de se diriger. 
Pour mettre en évidence cette polarisation de la lumière, il faut disposer d'un second filtre identique au
premier, qui va prendre le nom d' analyseur, le premier étant donc le polariseur. Lorsqu'on observe une source lumineuse à travers deux filtres dont les plans de polarisation  sont parallèles, cette source est vue avec son intensité normale; si ensuite, on fait tourner l'analyseur, les plans de polarisation des filtres vont se trouver de plus en plus " contrariés " : avec des filtres d'excellente qualité, l'extinction apparente est totale lorsque les plans sont perpendiculaires.
Dans la nature, les exemples de lumière polarisée ne manquent pas : le ciel bleu, surtout au zénith diffuse presque uniquement cette lumière ( il paraît noir à travers un filtre polarisant ), de même que les réflexions sur les surfaces brillantes de l'eau, du verre, du feuillage des arbres, des fleurs. Tous les photographes connaissent le filtre polarisant de couleur grisâtre ( si possible neutre ) dont on coiffe l'objectif lorsqu'on veut éliminer certains reflets gênants ou saturer les couleurs. On voit qu'il existe différents moyens de polariser la lumière, par traversée d'un matériau biréfringents ( spath ) ou d'un filtre spécial constitué de macromolécules disposées en lignes parallèles afin de ne favoriser qu'un seul plan de propagation de la lumière. C'est ainsi que sont réalisés les filtres polarisants vendus pour la photographie. Il en existe de toutes qualités, plus ou moins efficaces, plus ou moins neutres ( chose facile à vérifier en posant plusieurs modèles côte à côte sur une feuille blanche: les filtres verdâtres sont à rejeter ). Attention à ne
pas faire l'acquisition d'un filtre à polarisation circulaire qui ne fonctionne pas dans notre cas !
Dans la nature c'est plus simple : la polarisation s'obtient par réflexion sur une surface lisse, feuillage ou eau par exemple...et bien évidemment les gouttelettes d'eau en suspension dans l'atmosphère, ce qui explique la polarisation de la voûte céleste, tellement utile aux photographes, ainsi que le rôle exact du filtre polarisant monté sur l'appareil photo : il joue en fait le même rôle que l'analyseur du microscope .

Revenons à nos deux filtres en position "croisée", c'est à dire en position d'extinction. Si on introduit entre ces deux filtres un objet transparent ayant, lui aussi, des propriétés polarisantes, on assiste à une jolie expérience. Car cet objet-là va " dépolariser " la lumière, mais différemment selon les diverses longueurs d'onde du spectre visible, et se parer alors des couleurs les plus vives et les plus chatoyantes.
Cette expérience est facile à réaliser pour peu que l'on possède deux filtres du type de ceux que l'on utilise en photo. Il suffit de regarder l'un à travers l'autre : en tournant l'un des deux, on a vite trouvé le point d'extinction où les filtres paraissent noirs. En introduisant alors entre ces deux filtres , par exemple le couvercle en matière plastique qui leur sert d'emballage, on le voit s'orner de merveilleuses couleurs qui semblent converger vers le point d' injection du moule. Ces lignes colorées renseignent sur les tensions internes du plastique, propriété très utilisée dans l'industrie pour contrôler les tensions, les déformations et la résistance des matériaux divers. Et ce phénomène est, bien sûr, invisible à l'œil nu ! c'est la base du procédé que nous allons décrire...

A gauche = Filtres dans le même plan, l'ombre du petit filtre est claire.
Au milieu = Filtres " croisés " l'ombre du petit filtre est noire.
A droite, on a introduit un corps  " dépolarisant ", l'ombre du petit filtre est colorée.


Même expérience avec le microscope !
A gauche, un cristal d' acide tartrique ( x25 ) en lumière normale;
A droite, le même entre polariseur et analyseur : sans commentaire !

OBTENIR DES CRISTAUX

Vous allez donc pouvoir entrer dans un monde fascinant grâce au phénomène de la polarisation !
En effet, de nombreuses substances, après avoir été dissoutes dans un solvant, forment après évaporation de ce solvant, des cristaux microscopiques appelés
microcristaux .Dotés, en général, d'un fort pouvoir polarisant, ces cristaux révèlent, en lumière polarisée, leurs formes et leurs couleurs, variées à l'infini :
rocs  et gouffres vertigineux, pics, caps, étoiles, engrenages mystérieux, plumetis, broderies, traînées multicolores, feux d'artifices, polygones parfaits, irisations, maelströms miniatures et même...trous noirs !
Bref, tout un éblouissement visuel qui fait vagabonder l'imagination, auquel le plus blasé ne peut rester indifférent ! Mais comment obtenir tout cela ? Facile ! Les substances à dissoudre, elles, se trouvent pour une bonne partie à la maison, dans la cuisine, dans l'armoire à pharmacie, ou dans votre cher petit labo photo - si vous en avez un ! L'une d'entre elles, qui donne d'ailleurs de superbes cristaux en forme d'éventail, est consommée tous les jours : c'est le sucre ! Voici, pour débuter, comment procéder :

- On fait dissoudre une cuillerée de sucre cristallisé dans un demi-verre d'eau,
- On attend que l'eau redevienne claire,
- On en met quelques gouttes sur une lame et on les étale ( on peut chauffer rapidement la lame
sur une flamme pour la rendre mouillable, c'est à dire pour que la goutte ne se mette pas " en boule " )
- Au bout de quelques heures, quelquefois quelques jours, c'est assez long pour le sucre, les cristaux apparaîtront. 
La lamelle n'est pas nécessaire.
On peut aussi " aider " la cristallisation en plaçant dans les gouttes quelques minuscules grains de sucre qui vont servir de " germes " aux futurs cristaux : c'est la technique de l'ensemencement. Notez bien que le sel, ainsi que toutes les substances qui cristallisent en cubes sont absolument dénués de propriétés
 polarisantes : ce n'est donc pas la peine d'essayer !


 Pour ma part, j'ai trouvé de beaux sujets dans mon armoire à pharmacie : je fais dissoudre, dans l'eau ou l'alcool à 90° ( ces deux substances sont les plus employées, leur résultat est différent dans les deux cas, mais d'autre solvants sont possibles : xylol, éther, glycérine, acétone, etc. ) un échantillon des poudres, cachets, granulés ou autres gélules. Les substances chimiques contenues dans les produits pharmaceutiques sont très  diverses et donnent quelquefois de magnifiques résultats. L'acide acétyl-salicylique ( aspirine ),
la magnésie, le bismuth, l 'acide ascorbique,( qui est plus simplement la vitamine C ), la teinture d'iode, le permanganate ( beaux cristaux violets ), le bleu de méthylène, que sais-je encore ? Si vous êtes en bons termes avec votre pharmacien, demandez-lui  ( en quantités infimes ), des produits purs : menthol (spectaculaire !), sulfates de fer, de cuivre, de zinc, carbonate de sodium, camphre, borax, etc. Vous pourrez ainsi identifier les substances à coup sûr et les repérer dans les mélanges de synthèse...Le mien m'a même donné du bichlorure de mercure ( le " sublimé corrosif " ) qui est un des poisons les plus violents que l'on connaisse ! C'est une poudre rouge vif qui donne paraît-il de merveilleux cristaux : j'avoue n'avoir pas encore osé faire des essais ! Tout peut être essayé : nul doute que les remèdes propres à vos bobos personnels seront tout aussi photogéniques ! Le labo photo, éventuellement, sera aussi une mine inépuisable: produits de développement, génol, hydroquinone, hyposulfite, bains sulfureux de virages, de sulfatation etc. 
En fait chaque fois que prépare des bains, j'en distrais quelques gouttes que je mets sur une lame. on ne sait jamais, si c'était beau...et c'est toujours beau !

QUELQUES CONSEILS

- Faire de préférence les dissolutions dans l'eau distillée qui ne contient ni chlore, ni calcaire. dans l'alcool à 90°, l'évaporation est plus rapide et les cristaux différents. On peut laisser sécher à l'air libre, à température douce ( dans l'étuve ! ), mais on peut aussi chauffer rapidement la lame sur une flamme ( lampe à alcool ) et déposer une goutte de produit qui s'évapore immédiatement : là aussi les cristaux sont différents. Il suffit de porter rapidement la lame sous l'objectif du microscope pour assister à la " naissance " des cristaux : spectacle merveilleux assuré !

- L'hygrométrie, le température influent sur leur formation, si bien qu'on peut obtenir des résultats variant à l' infini avec le même produit; j'en ai même vu de " vivants " qui évoluent avec le temps en donnant des figures changeantes au fil des jours ( comme l'hyposulfite ).

-  Il vaut mieux faire , à mon avis, des concentrations faibles, une évaporation lente, et ne pas chercher systématiquement la saturation qui conduit souvent à des préparations  "épaisses"  et difficiles à mettre au point. L'idéal est d'avoir un dépôt le
plus mince possible, quasi invisible par transparence, garantie de belles polarisations. On peut parfaitement mélanger les produits, ou même les teinter. Par exemple en mettant en contact un cristal de menthol et un cristal de camphre, par sublimation le mélange devient liquide et forme de somptueux cristaux, très volatils, à observer immédiatement !

- La lamelle n'est pas nécessaire, sauf si l'on désire conserver la préparation . Dans cette optique, attention au médium. Bien que la coumarone ou le baume du Canada  (recommandé dans ce cas ) dissolvent peu de substances, il vaut mieux faire des essais.

- Attention à la poussière pendant le séchage.

L'ECLAIRAGE ET LA PHOTO

Notons que l'éclairage doit être puissant . Bien sûr on utilise l'éclairage standard du microscope, ou un montage avec les nouvelles LED Luxeon 1 watt qui donnent une intense lumière blanche dépourvue d'infra rouges, convenant bien aux webcams.
Je pense que les plus belles images de microscopie s'obtiennent en photo argentique traditionnelle ( diapos Sensia 200  ou noir et blanc ), ensuite numérisées dans un scanner 24x36, avec le confort de photographier la totalité du champ observé !
On a ainsi des documents d'une extrême finesse et aux couleurs saturées reproduisant bien la magie des polarisations...ou des autres sujets d'ailleurs. Je viens pour ma part d'expérimenter la webcam, cependant de bonne qualité ( Toucam Pro Philips ), avec un éclairage par LED, et j'ai été quelque peu déçu. C'est un excellent " carnet de notes ", mais qui souffre de plusieurs inconvénients : champ extrêmement réduit, format limité, définition faible, sensibilité aux infra-rouges... Évidemment on a l'image immédiatement !

LES FILTRES POLARISANTS

Contrairement à ce qu'affirment certain ouvrages, le filtre polarisant en lame souple  que l'on découpe à la bonne dimension avec des ciseaux ne se trouve pas facilement. De plus, ce sont des filtres scientifiques très onéreux, ce qui explique d'ailleurs le prix relativement élevé des filtres polarisants de qualité. La solution ? Choisir tout simplement des filtres vendus en différents diamètres pour la photographie ( les plus petits diamètres conviennent généralement ). Ces filtres peuvent être facilement démontés
 de leur bague, afin de les placer plus facilement dans le microscope. Précisions : le
polariseur  doit se trouver devant  ou sur la source de lumière , l'idéal est de 
pouvoir le mettre dans le support filtre du condenseur, comme
 

Ccci- contre. L' analyseur, quant à lui, doit être en quelque sorte " de l'autre côté " de la préparation, c'est à dire à la sortie de  l'objectif, dans la tourelle ou directement posé sur l'oculaire, ce qui est assez pratique pour  le faire tourner pendant l'observation pour trouver le point d'extinction. Tout dépend de l'architecture du microscope, mais la solution est, en général facile à trouver !
Notons qu'avec ces filtres en position " croisée ", on obtient pas toujours l'extinction complète du faisceau lumineux, mais une couleur bleu nuit du plus bel effet sur les photographies. L'éclairage " chaud " des lampes de microscope n'est pas désagréable dans ce domaine, mais on peut le " refroidir " par l'interposition d'un filtre bleu, au prix d'une perte de lumière supplémentaire...
Lorsque les filtres sont en position d'extinction, on peut introduire entre le polariseur et la préparation observée, un petit morceau de cellophane ( mais oui, celle des pots de confiture ! ). En faisant tourner cette cellophane dans son plan, on voit le fond sombre prendre tour à tour toutes les couleurs du spectre . Les cristaux observés changent aussi de couleur; ils en deviennent fréquemment encore plus beaux que sur fond noir : c'est que la phase de la polarisation a changé. Regardez les photos suivantes du même cristal prises avec différentes orientations de la cellophane :

Cet effet correspond à celui donné par la lame de gypse " rouge du premier ordre " des micrographes. En pliant, en froissant même la feuille de cellophane, ou en en superposant plusieurs, on obtient des effets incroyables. Un petit carré de plastique transparent à la place de la cellophane convient aussi très bien, d'autant qu'on peut repérer les couleurs obtenues suivant son orientation. Astuce : le prélever dans un boîtier pour CD ! Et autre astuce : il y a des boîtiers de CD en plastique transparent de couleur...
Plusieurs clichés des mêmes cristaux effectués sans toucher à la lame, mais simplement en tournant les filtres donnent, en projection fondu-enchaîné des effets vraiment spectaculaires... Bref, la seule limite est...
l'imagination de chacun !!!

Pour ne pas trop alourdir ce ficher, quelques exemples sous forme d'une mini-galerie se trouvent dans

" MICROCRISTALLISATIONS : CREATIONS DE LA NATURE 2


                                                                                             
  Jean LEGRAND / Juin 2003