Electron optical study of modulated mineral solid solutions
Authors: McConnell James Desmond Caldwell 
Published: November 2019

Cette brève revue a trait aux implications de l'étude par microscopie électronique de structures minérales modulées, telles que la digénite et les plagioclases. De telles structures n'ont encore jamais été expliquées de manière satisfaisante au moyen d'une théorie physique simple, bien que des structures modulées semblables soient observées dans de nombreux systèmes inorganiques où elles ont été décrites, en termes généraux, comme des structures incommensurables. Récemment, on a présenté, pour de telles structures incommensurables, une théorie physique simple qui suppose que ces structures ont leur origine dans la résonance entre deux modes de transformation dans le monocristal. Dans certains cas, ces deux modes de transformation sont reliés à des schémas d'ordre physiquement distincts, tandis que dans d'autres cas, un mode d'ordre peut interagir directement, en résonance, avec un mode de transformation displacive possible dans le cristal.

Quelle que soit la nature exacte de la paire des modes de transformation, leur interaction est gouvernée par certaines règles strictes de symétrie, ce qui implique que, lorsqu'ils ont une symétrie compatible en certains points de l'espace réciproque, autres que les points de symétrie primaire, la symétrie interdit leur interaction directe au point de symétrie correspondant (point de super-réseau) pour produire un super-réseau simple.

Lorsqu'il est possible d'étudier le comportement général de tels matériaux en fonction de la température, il apparaît que la structure d'ordre de résonance intervient sur l'échelle des températures, entre un état complètement désordonné à haute température et un état impliquant l'ordre sur la base d'un mode d'ordre simple, ou exsolution, à plus basse température. Dans de nombreux cas comme dans les minéraux tels que les plagioclases intermédiaires et la mullite, la structure de résonance ainsi formée peut rester en équilibre métastable à basse température ; ceci est dû à la cinétique très lente qui empêche la transformation vers l'état stable de basse température. On discute dans cette revue le rôle de la microscopie électronique et ses limites dans l'étude de ces structures minérales incommensurables. Bien que l'utilisation de la microscopie électronique ait été très importante pour l'étude de ces structures, il est maintenant clair que cette technique ne donne pas nécessairement des solutions complètes aux problèmes structuraux posés, et qu'elle doit être appuyée par d'autres techniques telles que l'étude de monocristaux par diffraction des rayons X ou des neutrons. Ainsi, certains modes de transformation ne peuvent pas être observés directement par les techniques de microscopie électronique, en particulier lorsque des modes optiques mous interviennent, c'est-à-dire pour les petits déplacements locaux.

Puisque les structures cristallines incommensurables sont fréquentes dans les minéraux des roches, il est maintenant évident que la théorie de l'ordre de résonance est tout à fait indiquée pour définir le comportement thermodynamique global de tels systèmes. La théorie doit donc être utilisée pour établir la thermodynamique de ces systèmes et ensuite pour définir leurs relations de stabilité dans la nature. Dans ce contexte, il apparaît actuellement la nécessité d'études globales sur ces matériaux, utilisant tous les outils d'observation disponibles, y compris la microscopie électronique à haute résolution, et une combinaison d'études pratiques et théoriques sur leur thermochimie.