L’inizio della Mineralogia moderna, dalla fine del XVIII° secolo fino alla metà del XX°
Cristallografia: dallo studio geometrico delle forme cristalline alla radiocristallografia.
Caratteri ottici: un modo essenziale di riconoscimento e di analisi
Una scoperta inattesa dovuta al microscopio polarizzante: i cristalli liquidi
Cristallografia: dallo studio della forma geometrica dei cristalli alla radiocristallografia
La fine del XVIII° secolo e l’inizio del XIX° vedono i veri inizi della mineralogia moderna, con lo sviluppo della cristallografia geometrica che partita dallo studio morfologico dei cristalli naturali, darà luogo rapidamente all’analisi delle leggi di simmetria e all’identificazione dei sistemi cristallini. J.B. Romé de l’Isle enuncia la legge della costanza degli angoli, mentre R.J.Hauy identifica le principali leggi della simmetria delle forme esterne dei cristalli e introduce la nozione di molecola integrante.G.Delafosse introduce la nozione di discontinuità nel cristallo. Gli elementi di simmetria identificati da Hauy (centro, piano, assi di ordine 2,3,4, o 6) non permettevano che di definire le 32 classi di simmetria alle quali si rapportavano tutti i cristalli naturali, questo fu stabilito verso la metà del XIX° secolo da A.Bravais. Quest’ultimo riconobbe anche un certo numero di forme di reticolo, che riguardavano la struttura interna dei cristalli e ricorrendo a nuovi a operatori di simmetria, piani di traslazione e assi elicoidali. Le analisi puramente matematiche di insiemi autorizzati da questi operatori di simmetria, che è uno dei fondamenti della teoria dei gruppi, corrisponde ad uno dei migliori esempi di una applicazione di matematiche tra le più astratte, ad una scienza naturalista. Nel 1879, Léonard Sohncke identificava 66 gruppi di simmetria ed apriva la strada a Schoenflies e Fedorov, che stabilirono i 230 gruppi di simmetria che, ancora oggi, sono alla base delle moderne idee sulla struttura atomica dei cristalli.
E’ sorprendente constatare che questa struttura atomica, che era stata intuita, ma non dimostrata, a partire dall’analisi geometrica delle forme esteriori dei cristalli naturali, sarà verificata in maniera lampante con lo sviluppo della radiocristallografia all’inizio del XX secolo. Dopo che G. Friedel aveva definito, nel 1904, il concetto di motivo cristallino, Max von Laue (1879-1960) realizzò nel 1912 il primo esperimento di diffrazione di raggi X con un cristallo di blenda, dimostrazione storica della struttura periodica dei cristalli. La radiocristallografia intraprese così un rapido sviluppo, soprattutto grazie ai Bragg, il padre (William Henry, 1862-1942) e suo figlio William Laurence (1890-1971). Ottennero insieme il premio Nobel nel 1915 per aver dimostrato che lo studio dei diagrammi di diffrazioneX permetteva di determinare la struttura dei minerali alla scala dell’atomo.
Nel 1917 P.Debye (1884-1966) mette a punto le tecniche di diffrazione su un minerale finemente polverizzato (diagrammi di polveri), che sotto il nome di metodo Debye-Scherrer diverranno il metodo più utilizzato per l’identificazione delle diverse specie minerali. I primi diagrammi di polvere sono realizzati nel 1917 e valsero ai loro autori il premio Nobel nel 1936. Nello stesso tempo, moltiplicarono i dati sulle strutture dei differenti minerali .
Dall’avvento della radiocristallografia, i Bragg avevano lavorato sulla struttura della Halite, che essi determinarono nel 1924, rifacendosi al passaggio dei risultati proposti venti anni prima da William Barlow. Non sempre è un bene essere troppo avanti rispetto al proprio tempo, e le idee di Barlow non avevano avuto alcuna eco presso gli scienziati del suo tempo. Dopo la storica scoperta dei Bragg, le strutture dei principali gruppi di minerali saranno rapidamente identificate: diopside, tremolite e vesuvianite da B.E. Warren nel 1929, berillo,muscovite e biotite da J.West, il gruppo così importante dei feldspati da W.H.Taylor, etc. Nel 1935 le strutture minerali delle rocce più comuni sono conosciute.
La radiocristallografia sarà così un potente mezzo di investigazione per i minerali a composizione variabile (soluzioni solide), risolvendo in modo definitivo la celebre controversia che aveva opposto Hauy a Mitscherlich a proposito del principio di isomorfismo. Essa partecipa così alla determinazione delle proprietà chimiche, completando i metodi diretti di analisi. Nel 1922, Mauguin pubblica un lavoro fondamentale sulla struttura dei cristalli semplici a composizione chimica variabile: cloruri e solfuri. Parallelamente suggerisce le strutture di miche e cloriti. La struttura di questi silicati è formata da un numero fisso di atomi di ossigeno: 12 per i primi e 18 per i secondi,mentre, il numero dei cationi è variabile.
Nel 1929, L. Pauling stabilì la struttura completa di questi minerali complessi, fornendo le dimensioni del reticolo cristallino e lo spessore degli strati ( 10 A per i mica, 14 A per le cloriti).
Questi lavori, che sono alla base di tutte le ricerche sulla struttura del minerali delle argille, aprono la strada a generazioni di ricercatori, per la Francia, i nomi di J.Wyart, S.Goldztaub, A.J. Rose, A. Rimsky ( e molti altri)- fanno si che oggi, le strutture di tutti i minerali sono dettagliatamente conosciute, fornendo una base fisica coerente all’interpretazione delle loro proprietà. Si attribuisce oggi una grande importanza allo studio delle imperfezioni (difetti) dei reticoli cristallini, e le conoscenze acquisite trovano applicazioni immediate in altre discipline, in particolare nella metallurgia e nella scienza dei materiali. Per fare un esempio recente, ci sono dei mineralogisti del Geophysical laboratory della Carnegie Istitution (Washington DC, USA) che hanno determinato le strutture dei primi corpi superconduttori a (relativamente) alta temperatura, partecipando in maniera decisiva ad una delle più grande avventure della fisica moderna.
Proprietà chimiche dei minerali
Un minerale si definisce come un corpo naturale a struttura ordinata – raramente a struttura vetrosa, come il vetro naturale di silice o Lechatelièrite – ed a una data composizione chimica: costante per un certo numero di specie relativamente semplici (SiO2 per il quarzo, CaCO3 per la calcite, etc), variabile nel limite delle sostituzioni isomorfiche autorizzate per la definizione della specie. Questa "autorizzazione" corrisponde alla sostanza delle discussioni in seno alle commissioni internazionali di nomenclatura: si deve considerare o no l’oligoclasio, plagioclasio albitico a (circa) 20% di anorthite , come un minerale a se stante o una varietà di un altro minerale, il plagioclasio. Le discussioni sono spesso animate in seno alla commissione, con talvolta delle considerazioni che non sono interamente scientifiche. Esistono numerose regole per proporre un nome di minerale , che può riflettere sia il giacimento (andalusite), alcune proprietà fisiche (disthène=due durezze o kyanite=colore blu) o chimiche (fluorite), etc.
Ma la tendenza moderna è soprattutto quella di dedicare un nuovo minerale ad un mineralogista conosciuto, in generale un collega di colui che propone la nuova specie. L’accettazione di un nuovo nome o, fatto molto più imbarazzante, la soppressione di una specie insufficientemente caratterizzata, può divenire talvolta un problema che riguarda la politica.
Queste note mostrano che la composizione chimica è tanto importante quanto la struttura per la caratterizzazione di una specie data.La prima classificazione che si può considerare come moderna, di A.G. Werner a Friburgo, in Sassonia, era unicamente basata sulle proprietà fisiche dei minerali. Ma dal 1758, Kronstedt ha introdotto dei dati chimici, che hanno acquisito rapidamente una grande importanza uguagliando, e poi sostituendo i caratteri fisici. Questo periodo vede una interazione profonda tra mineralogisti e chimici (in particolare con la scoperta di Dalton )(1766-1844) delle leggi della stechiometria, che fornì una base coerente alla nozione di struttura atomica dei minerali.
Molti scienziati dell’epoca, come Ebelmen o Vauquelin, furono sia dei chimici di grande fama e importanti artigiani della mineralogia "chimica". La scuola svedese fu particolarmente importante, con T.Bergman (1735-1884), e soprattutto con J.J. Berzelius (1779-1848), che sviluppò una classificazione dei minerali basata sull’elettronegatività degli elementi. Fu in questo periodo che si introdussero classi di minerali come ossidi,alogenuri,fosfati,solfati e silicati, che sono ancora oggi alla base delle classificazioni moderne. Possiamo aggiungere a questi pionieri il nome di Lavoisier, che si interessò molto alla mineralogia – con una importante collezione personale di "sostanze minerali"-, il quale però , non ebbe il tempo di sviluppare la mineralogia di Hauy nella direzione della chimica, verso la quale l’avrebbe probabilmente portata. Per R.J.Hauy, in effetti, la chimica non gioca che un ruolo accessorio nella definizione di un minerale. Se la chimica può rivelare la natura e la quantità dei costituenti, essa non può rivelarne la struttura che è definita solo dai criteri geometrici (cristallografia). Per Mitscherlich, al contario, due minerali possono essere differenti pur avendo stessa struttura,se esistono delle differenze significative a livello del chimismo. E’ il principio di isomorfismo, la fonte di una controversia che amareggiò gli ultimi anni della lunga vita di R.J.Hauy( che giungerà al punto di intentare delle azioni legali nei confronti dei suoi avversari). Questo punto fondamentale non sarà risolto che un secolo più tardi, quando V.I. Vernadsky, V.M. Goldschmidt e alcuni altri generalizzarono la nozione di soluzione solida, dimostrando in modo irrefutabile l’esattezza del punto di vista di Mitscherlich.
Al di là di queste controversie, la fine del XVIII secolo e l’inizio del XIX videro una crescita impressionante della conoscenza scientifica. La maggior parte dei minerali "importanti" così come 25 nuovi elementi chimici saranno scoperti in qualche decina d’anni (dal 1790 al 1830), stabilendo in maniera definitiva la base chimica della mineralogia descrittiva e confermano la preminenza delle idee di Berzélius. Un avanzamento decisivo si produrrà nel 1837 con la comparsa della prima edizione del "System of Mineralogy"(Sistema di Mineralogia) di James Dwight Dana. Nella quarta edizione del 1854, Dana adotta la classificazione di Berzelius, seguendo uno schema che si ritrova quasi integralmente nelle opere moderne.Il "Dana" resterà per decenni la "bibbia" dei mineralogisti, superando in modo definitivo il trattati precedenti (in particolare R.J.Hauy, poi Dufrenoy e F.Beudant per la Francia, J.F.L. Hausmann (1813) per la Germania e R. Jameson (1816) per il Regno Unito.
Tuttavia se i dati chimici acquistavano un importanza sempre maggiore, è necessario ricordare che, durante tutto il XIX° secolo, analizzare in modo relativamente preciso la maggior parte dei minerali costituiva un "tour de force" tecnologico. Non si potevano ottenere delle analisi precise quantitative che dopo aver portato in soluzione gli elementi chimici, operazione particolarmente delicata per numerosi minerali, in primo luogo i silicati.
La presenza di alcuni elementi –soprattutto i metalli- era accertata con i metodi di analisi "per via secca", ricerche pirognostiche al cannello ferruminatorio che furono condotte ad un livello elevato di sofisticazione da specialisti quali: A:Braly o R. Berthier. Attualmente dimenticate, queste tecniche costituivano ancora una parte importante dell’insegnamento universitario di Mineralogia all’indomani della Seconda Guerra Mondiale. Le analisi quantitative si richiamano ai metodi tradizionali della chimica analitica: messa in soluzione, avendo, per i silicati, il problema di dover manipolare acido fluoridrico concentrato, estremamente pericoloso; poi analisi per gravimetria, colorimetria etc.Si cercava di ovviare alle difficoltà attraverso metodi ingegnosi (per esempio la 4elemento, e.g. lavori di Berhens e Boricky nel 1877, di L, Bourgeois nel 1893) ma non poteva che trattarsi di metodi qualitativi e semi-quantitativi, che rimanevano relativamente riservati.
In ciascun paese, soltanto alcuni centri erano abbastanza importanti da disporre di tutto il materiale e soprattutto di analisti sufficientemente qualificati: il Museo di Storia Naturale a Parigi (lavori di A.Lacroix e J.Orcel), i laboratori della Carnegie Institution negli USA, le università di Berlino o Heidelberg in Germania, i centri di Vienna (Austria) o Zurigo (Svizzera),etc. A dispetto di queste difficoltà, un enorme lavoro di analisi di migliaia di minerali e di rocce è stato realizzato tra il 1790
e gli anni che seguirono la Prima Guerra Mondiale, permettendo l’avvento di una nuova e importante disciplina delle Scienze della Terra, la Geochimica, che comparve nel 1920 a partire da almeno tre correnti di pensiero indipendenti, ma complementari: il gruppo di F.N.Clarke negli USA, che svilupperà la petrografia chimica ( in particolare per le classificazioni petrografiche e la stima delle composizioni medie dei diversi elementi che costituiscono il nostro pianeta), V.M. Goldschmidt (1888-1947) in Norvegia, in Germania (travolta dalla Seconda Guerra Mondiale)(applicazione delle leggi della termodinamica chimica agli equilibri tra i minerali) , A.Fersman (1883-1945) a Parigi (Museo di Storia Naturale), in Russia (Mosca)(nozione di ciclo geochimico, interazione tra i differenti strati del nostro pianeta, dall’atmosfera fino alle parti interne più profonde). Tra questi nomi, la maggior parte degli specialisti contemporanei è concorde nel considerare V.M. Goldschmidt e V.I. Vernarsky come i veri iniziatori della Geochimica moderna,la quale ha avuto un notevole sviluppo dopo che si è saputo analizzare ed interpretare i "traccianti" geochimici ( elementi in traccia e geochimica isotopica).
Proprietà fisiche
Gli scienziati hanno cercato di compensare le difficoltà di analisi chimica dei minerali attraverso lo studio di altre proprietà, in particolare quelle fisiche.
Le proprietà fisiche di base: colore, luminosità,densità, durezza, aspetto (sfaldatura) restano un sistema importante per la determinazione, soprattutto sul terreno. I principi del loro studio non sono variati dall’inizio del XIX° secolo: nel 1820, il mineralogista austriaco F.Mohs, mentre fornisce la prima definizione rigorosa dei 7 sistemi cristallini, pubblica la scala di durezza a 10 gradi che viene utilizzata ancora oggi: 1.talco,2.gesso,3.fluorite,4.calcite,5.apatite,6.ortoclasio,7.topazio,8.quarzo,9.corindone,10.diamante
Ma accanto alle caratteristiche evidenti, due proprietà presentano un’importanza particolare: interazione dei cristalli con la luce (proprietà ottiche) e proprietà termiche, molto utilizzate per l’analisi di alcuni minerali di piccolissime dimensioni (minerali delle argille)
Proprietà ottiche: osservazione dei minerali al microscopio polarizzante
La scoperta della doppia rifrazione nello spato d’Islanda di E. Bartholin nel 1672 e la prima interpretazione di C. Huygens nel 1674, segnano l’inizio dello studio delle proprietà ottiche dei cristalli. Le ricerche, per lo più indirizzate verso la cristallografia geometrica, non progredirono durante tutto il XVIII secolo, ma subirono una forte accelerazione a partire dal 1800, cioè da quando gli scienziati disposero di strumenti adatti (microscopio). Intorno al 1810, Arago studiò la polarizzazione e il potere rotatorio del quarzo, mentre Biot stabilì i primi principi di quella che diventerà l’ottica cristallina, riconoscendo in particolare le categorie dei cristalli uniassici e biassici.
Si comprese allora che alcuni minerali interferiscono con il piano di polarizzazione della luce, e questo sollecitò una serie di lavori sull’ottica dei microscopi. Le prime ricerche sono meno indirizzate ai cristalli che alle imperfezioni che queste possono presentare,i n particolare le inclusioni fluide che per prime colpirono gli osservatori quando iniziarono a osservare i cristalli al microscopio.All’inizio del XIX° secolo, Davy e in seguito Brewster scoprirono un misterioso "liquido fortemente dilatabile", di cui analizzarono con precisione le caratteristiche fisiche (indice di rifrazione) e il comportamento a temperatura variabile. Ma la sua composizione fu conosciuta soltanto 50 anni più tardi (1871), con le analisi spettroscopiche di H.Vogelsang e F.Geisler a Delfy: si trattava del CO2, uno dei componenti principali delle inclusioni fluide.
Nel 1818, Mallus scopre la polarizzazione cromatica e definisce il raggio polarizzato. Nel 1830, Nicol perfeziona il sistema di prismi di Mallus e costruisce il prisma polarizzante che portò il suo nome, permettendo la costruzione del microscopi polarizzanti adatti all’osservazione di lamine sottili di minerali e rocce.Nonostante le derisioni dei suoi colleghi "Monsieur de Saussure,qui se moquait de ce que l’on cherche du étudier des montagnes sous un microscope", l’inglese H.C.Sorby estende l’uso del microscopio polarizzante in mineralogia e in petrografia,portandounarivoluzione tecnologica che non avrà uguali fino alla scoperta della microsonda elettronica, un secolo e mezzo più tardi. Grazie a progressi tecnici notevoli realizzati in alcuni anni da grandi fabbricanti di microscopi, come Nachet in Francia, Leitz e Zeiss in Germania, Reichert in Austria, la determinazione dei caratteri ottici dei minerali diverrà una delle più grandi avventure scientifiche del XIX secolo. I mineralogisti ricercarono prima di tutto le relazioni tra i caratteri ottici,struttura e composizione all’interno dei grandi gruppi di minerali di rocce: in primo luogo feldspati, mica,pirosseni e anfiboli.Il microscopio polarizzante più che un mezzo di determinazione è un autentico strumento di analisi. L’ottica cristallina è una scienza complessa, con la quale si misero in luce celebri fisici, tra i quali Fresnel, che definì nel 1820 l’ellissoide degli indici. Due grandi scuole iniziarono a dominare il mondo: la Francia che grazie ai ricercatori del Museum d’Histoire Naturelle e de l’Ecole de Paris rimane quasi esclusivamentemineralogica e la Germania-Austria, che si orientò rapidamente verso la descrizione sistematica delle composizioni dei minerali all’interno delle rocce, prendendo dunque una strada più nettamente petrografica. A Parigi, A.Descloizeaux studia, grazie a delle lamine spesse, i caratteri ottici di 468 specie minerali, mentre A.Michel-Levy, nel 1890, stabilisce le basi teoriche che permettono l’interpretazione delle misure di birifrangenza. Il problema importante della determinazione del gruppo dei feldspati, che permetterà lo sviluppo delle classificazioni petrografiche moderne basate sulla composizione dei minerali "chiari" (ricchi in alcalini:quarzo, feldspati e feldspatoidi), sarà affrontato da Des Cloizeaux nel 1875, seguito da P. Fouquè e A. Michel-Levy, finalmente risolto in un’opera magistrale pubblicata da quest’ultimo nel 1894: "L’étude sur la détermination des feldspaths dans les lames minces au point de vue de la classification des roches",(Lo studio sulla determinazione dei feldspati nelle lamine sottili dal punto di vista della determinazione delle rocce), sarà ripreso, in modo più o meno diretto, da tutte le opere che spiegano l’uso dal microscopio ai petrografi.
Nello stesso periodo (1893), il russo V.S. Fedorov introduce i primi tavolini universali, che permettono l’orientamento tridimensionale delle sezioni sottili delle rocce sotto il microscopio. Questi apparecchi complessi consentono un’identificazione precisa degli elementi ottici (in particolare assi) in rapporto agli elementi cristallografici. Il tavolino universale ispirerà una serie di lavori importanti (Duparc e Rheinhart in Svizzera,Emmons negli Stati Uniti), che rimangono importanti dal punto di vista teorico, ma che hanno perduto molto del loro interesse pratico in mineralogia analitica dopo l’invenzione delle microsonde elettroniche. Il tavolino rimane in compenso molto utilizzato in una forma semplificata ( ad ago) per lo studio dei minerali in grani, e per misure microstrutturali.
Nei paesi di lingua tedesca gli studi si indirizzano verso la petrografia. Le classificazioni petrografiche tedesche sono soprattutto basate sull’indice di colore, percentuale relativa tra minerali chiari (contenenti principalmente K,Na,Ca) e scuri (ricchi in Fe-Mg). L’indice di colore è immediatamente percettibile sotto il microscopio, senza che sia necessario conoscere in modo preciso la composizione dei differenti gruppi minerali. Il contributo della scuola tedesca
ai progressi della mineralogia microscopica è tutt’altro che trascurabile. Nel 1864, P. Tschermak definisce in maniera rigorosa il concetto di soluzione solida e, nel 1870, precisa i caratteri microscopici dei principali gruppi di minerali colorati: miche(biotite), pirosseni (augite) e anfiboli (orneblenda). Nel 1890, il mineralogista viennese F.Becke dimostra che , quando si allontana dal fuoco un preparato sotto il microscopio il senso dello spostamento di un alone luminoso a contatto di due minerali contigui dipende dal valore relativo dei loro indici di rifrazione.
Questo celebre metodo del "linea di Becke" resta ancora oggi un mezzo essenziale di determinazione, non soltanto sui minerali in sezione sottile, ma anche sui minerali isolati ( in grani).
A partire dal 1900, le conoscenze teoriche sono sufficienti per affrontare la realizzazione dei grandi trattati sistematici, la cui realizzazione continuerà fino alla vigilia della seconda guerra mondiale. Questi trattati riguardanti sia la mineralogia sistematica sia la petrografia, evidenziano alcuni contrasti tra la Francia e la Germania. In Francia si privilegia principalmente la mineralogia sistematica, questa scelta è dovuta in particolare a A.Lacroix, Professore al Museum, che, a partire dal 1893, pubblicherà durante più di 20 anni i monumentali volumi della Minéralogie de France et deMadagascar (Mineralogia della Francia e del Madagascar). In Germania, i trattati di H.Rosenbusch (Mikroskopische Physiographie de Mineralien und Massige Gesteinen) di cui la prima edizione è datata 1873, saranno costantemente ristampati e completati fino al 1924 da E.Wulfing. Queste opere restano una base di riferimento indispensabile,e soprattutto sono la fonte diretta di tutte le opere utilizzate ancora oggi per l’insegnamento della mineralogia e della petrografia microscopica (e.g. M.Roubault in Francia, A.Kerr negli Stati Uniti, etc.)
Per lungo tempo, soltanto i minerali trasparenti sono stati studiati al microscopio "a trasmissione", nei quali i raggi luminosi passano attraverso ai minerali studiati. Nel 1927 J.Orcel estende questa tecnica ai minerali opachi. Egli mette a punto un microscopio polarizzante per riflessione, che permette di fare osservazioni qualitative sui costituenti dei minerali opachi: colore, durezza,sfaldatura e colore di polarizzazione. Il potere riflettente può essere misurato in maniera quantitativa, con apparecchi relativamente complessi. E’ stato così possibile elaborare le tavole di determinazione (F. Uytenbogaardt e E.A.J Burke) molto utilizzate in metallogenia. Le ricerche attuali si orientano verso i microscopi a luce infrarossa, che grazie ad un convertitore d’immagine montato nell’oculare permettono di studiare in luce trasmessa dei minerali (solfuri,elementi originari) opachi nello spettro visibile.
Lo studio teorico dei minerali trasparenti in luce polarizzata ha consentito l’uso di sezioni sottili di uno spessore standard (30 micron). Questi preparati però demoliscono le inclusioni fluide contenute in alcuni minerali (in particolare i quarzi), che hanno correntemente dimensioni comparabili, persino superiori.
Si tratta di un campo di studio attualmente in pieno sviluppo, che si fa su preparati speciali ( sezioni lucide 3 o 4 volte più spesse delle sezioni sottili normali, grazie anche ad un microscopio equipaggiato di tavolini scaldanti e refrigeranti, che permetteno l’osservazione di preparati in una gamma estesa di temperatura.(microtermometria, tra -200 e +600, persino + 1500°C)
Una scoperta inattesa dovuta al microscopio polarizzante: i cristalli liquidi:
Nel 1899, Lehmann scopre il comportamento particolare sotto il microscopio polarizzante del benzoato di colesterina, che mantenuto tra 145°C e178°C presenta una anisotropia unita ad una certa fluidità. Lehmann chiama cristallo liquido questa nuova fase, che si ritrova nelle altre condizioni, in particolare sulla superficie delle gocce di liquido molto viscoso (F. Grandjean). Anche F.Wallerant si interessò a queste sostanze e ne migliorò i metodi di studio.
A Ch: Mauguin è attribuita la scoperta di un fenomeno molto importante: riscaldando dei cristalli liquidi in un campo magnetico, le molecole si orientano in modo da comportarsi come un cristallo uniassico di cui l’asse ottico è parallelo alle linee di forza del campo magnetico.
Nel 1922, G. Friedel sostituisce il termine cristallo liquido con fase mesomorfa.Ray (1936), e Weygand (1948) dimostrano che lo stato di cristallo liquido compare se la molecola è piana e molto allungata.Si conoscono adesso le numerose sostanze che formano i cristalli liquidi. Per molto tempo, sono state considerate come curiosità di laboratorio, finchè l’era dei computer non le ha proiettate nella piena attualità.I cristalli liquidi sono in effetti suscettibili di orientarsi sotto l’influenza di campi elettromagnetici di debole intensità, dunque di visualizzare segni o immagini sopra uno schermo. Sono adesso usati su larga scala in numerose applicazioni legate all’elettronica.
Se le caratteristiche ottiche dei minerali sono soprattutto utilizzate per la loro determinazione, in particolare per le applicazioni petrografiche, alcune proprietà possono ugualmente avere altri usi.In particolare è il caso del potere rotatorio, che ha permesso di conoscere meglio la struttura di alcuni minerali. Nel 1837, Delafosse mette in evidenza che il potere rotatorio è legato alla dissimmetria del mezzo. Il suo allievo Louis Pasteur, nel 1860, distingue due forme di meriedria di cui una soltanto è compatibile con l’esistenza del potere rotatorio. Questa proprietà sarà molto utilizzata per l’analisi degli zuccheri. Descloiseaux scopre il potere rotatorio del cinabro, F.Wallerant lo spiega nel quarzo e A.Longchambon, nel 1922,mette a punto un metodo di misura che permette di stabilire una relazione tra potere rotatorio e simmetria cristallina nei cristalli biassici
Altre proprietà fisiche sono state oggetto di numerosi studi e applicazioni: piezo o piroelettricità, proprietà che hanno alcuni cristalli di far apparire cariche elettriche sotto l’influenza di variazioni di pressione (piezoelettricità) o di temperatura (piroelettricità).Queste proprietà sono direttamente legate all’anistropia del sistema cristallino (in particolare meriedria dei sistemi romboedrico o esagonale, quarzo e tormalina). L’esistenza della piroelettricità è stata conosciuta dalla fine del XVIII° secolo (esperienze di R.J.Hauy sulla tormalina), ma è la piezoelettricità, studiata nel 1880 da Jacques e Pierre Curie, che presenta il più grande interesse pratico (vibrazione a frequenza costante sotto l’influenza di un campo elettrico, fenomeno utilizzato nei trasmettitori radio e negli orologi al quarzo).
Le proprietà magnetiche di alcuni minerali presentano ugualmente una grandissima importanza. Alcuni minerali, come la magnetite, sono molto magnetici. Essi sono dunque notevoli calamite naturali, ma le specie interessate a questo tipo di magnetismo (ferromagnetismo) rimangono relativamente rare (in assoluto, ossidi doppi a struttura spinello).In compenso quasi tutti i minerali, soprattutto quelli contenenti elementi chimici a valenza variabile,sono più o meno magnetici, ad un grado molto più debole dei minerali ferromagnetici.Il magnetismo presente in una data fase minerale scompare al di sopra di una certa temperatura (punto di Curie), ma è suscettibile di riapparire nel corso del raffreddamento, fermando la direzione del campo magnetico terrestre a quell’istante.
Accrescie il principio degli studi paleomagnetici, che hanno avuto un ruolo essenziale per la comprensione delle modalità del manto del fondo degli oceani a partire dalle dorsali medio-oceaniche. La nozione di tettonica a placche, che ha letteralmente rivoluzionato tutte le Scienze della Terra nel corso degli ultimi cinquant’anni, è una conseguenza diretta di questi studi paleomagnetici, i quali presentano ancora molti aspetti sconosciuti (per esempio, sulle cause precise dell’inversione del campo magnetico terrestre, ripetutosi più volte nel corso dei Quaternario)
A queste proprietà elettriche e magnetiche, si devono aggiungere le proprietà meccaniche, che permettono di comprendere le modalità e la reologia delle deformazioni nei campi che non ci sono direttamente accessibili.
Le proprietà termiche sono state e continuano ad essere,oggetto di numerose applicazioni.
La conduttività termica (o la capacità termica, che le è direttamente collegata) dei minerali è un parametro essenziale, utilizzato sia per l’interpretazione dei dati geofisici (interpretazione dei flussi di calore misurato in superficie, stima del grado geotermico) che per il calcolo termodinamico degli equilibri tra fasi minerali.
Una applicazione molto importante delle misure di termicità riguarda l’analisi dei minerali argillosi, troppo piccoli e complessi per poter essere analizzati facilmente con un altra tecnica.Queste tecniche sono state generalizzate a partire dal 1930. Se si scalda un minerale idrato, si constata che esso passa attraverso fasi di disidratazione, disorganizzazione e ricristallizzazione, che si traducono con perdite di peso (analisi termoponderale), variazioni di dimensioni (analisi dilatometrica),o di calore, legate alle reazioni endo- o esotermiche (analisi termica differenziale).
Insieme alle analisi per diffrazione X, queste tecniche servono essenzialmente per lo studio dei minerali delle argille, che è un settore molto importante della geologia degli ambienti sedimentari.