Matière

-----------------------------------------------

L'essentiel

La diversité à l'échelle macroscopique des matériaux qui nous entourent (métaux, matières plastiques, papiers, verres, céramiques, solides, liquides, gaz) et de leurs propriétés, trouve son interprétation à l'échelle microscopique, avec la nature des atomes constituant la matière ainsi que les liaisons qui unissent ces atomes entre eux. Il paraît intuitif de considérer que la force de cette liaison élémentaire gouverne la rigidité du matériau à notre échelle. À notre époque où la manipulation de nanostructures, dans des domaines aussi variés que la santé, le textile, les cosmétiques ou la défense militaire, nous permet d'envisager dans un futur proche le contrôle de la croissance de la matière atome après atome ou molécule après molécule, le lien entre l'aspect microscopique et la « texture » macroscopique a toute son importance.

La fiche

Interprétation microscopique des propriétés macroscopiques de la matière
Quelle que soit sa nature, un matériau peut être caractérisé par un certain nombre de grandeurs physiques.
Conduction électrique
Un matériau conducteur de l'électricité contient soit des électrons libres (il s'agit alors d'un métal) soit des ions (il s'agit alors d'une solution ionique). En effet, un solide ionique (appelé cristal) n'est pas conducteur de l'électricité.
Exemple : les fils de cuivre sont utilisés pour les installations électriques des maisons. Les gels conducteurs utilisés pour l'électrostimulation des muscles sont des solutions gélifiées ioniques. L'eau de mer est un très bon conducteur de l'électricité.
Un ion est un atome ou une molécule qui porte une charge électrique, à la suite d'un gain ou d'une perte d'électrons. Comme deux charges de signes opposées s'attirent, et deux charges de même signe se repoussent, un ion de signe positif peut se lier fortement à un ion de charge opposée négatif. La liaison est dite ionique.
Exemple : le sel de mer est un cristal de chlorure de sodium dans lequel s'attirent des ions chlorure Cl et des ions sodium Na+. Il est très stable. Une solution salée est conductrice car l'eau détruit le cristal et sépare les ions de charges opposées. Une solution ionique possède donc des solutés ioniques libres de se déplacer (ils jouent le même rôle que les électrons).
Dans un métal, les atomes de métal ont cédé à l'ensemble des autres atomes un ou plusieurs électrons libres. Un métal est ainsi souvent assimilé à une plage recouverte par la mer : les noyaux métalliques sont les grains de sable et les molécules d'eau sont remplacées par des électrons libres qui peuvent « glisser » sur l'ensemble des atomes métalliques et ainsi se déplacer facilement. Comme pour un solide ionique, la rigidité d'un métal est liée à l'attraction entre électrons et noyaux (chargés positivement).
Tous les autres matériaux sont des isolants qui ne conduisent pas l'électricité car leurs atomes ne disposent pas d'électrons libres pouvant se déplacer librement.
Exemple : le bois ou le plastique sont des isolants.
Conduction électrique et conduction thermique
Les particules responsables du courant électrique dans un matériau conducteur peuvent s'agiter sous l'effet d'une augmentation de température. Elles acquièrent ainsi une plus grande vitesse, c'est-à-dire de l'énergie cinétique. Un matériau conducteur peut donc facilement emmagasiner et transmettre de la chaleur (énergie thermique interne) contrairement à un isolant. C'est pourquoi un bon conducteur électrique est en général un bon conducteur thermique.
Exemple : il est facile de constater, au toucher, qu'une armature en aluminium de fenêtre reste froide, même en été, car chauffée en un endroit, elle répartit rapidement tout l'excès d'énergie (électrons mobiles). En revanche, un sac en plastique ou en polystyrène évacue mal la chaleur, c'est pourquoi on peut s'en servir comme isolant thermique (barquettes utilisées pour la conservation des poissons par exemple).
Propriétés physiques
La plupart des propriétés physiques des matériaux tirent leur origine de la liaison qu'établissent entre eux les atomes dans le matériau.
Les matières plastiques sont malléables, déformables, et leur combustion est facile. En effet, il s'agit de matériau moléculaire dans lequel les molécules organiques (à base d'atomes de carbone) sont faiblement liées les unes aux autres. Il est facile de rompre ces liaisons intermoléculaires.
Les matériaux du type verre ou céramique résistent bien à la chaleur et aux hautes températures, mais sont cassants. En effet, la liaison entre molécule est intense (plus forte que dans un plastique, même à haute température) mais est extrêmement dirigée : dès que les atomes s'écartent de leur position « réglementaire », la liaison casse et, au niveau macroscopique, le solide se casse.
Changement d'état de la matière
Un changement d'état ne casse pas les liaisons qui existent dans les molécules (liaisons intramoléculaires) mais fragilise les liaisons inter-moléculaires.
Fusion/ solidification
La phase solide est un agencement très ordonné et régulier de molécules ou d'atomes. Ceux-ci s'écartent très peu de leur position moyenne, ce qui explique qu'un solide ait une forme précise bien définie et stable. Pour briser cet ordre, il faut transmettre aux atomes suffisamment d'énergie de vibration : il faut porter le solide à une haute température.
Exemple : la fusion d'un métal nécessite souvent des températures de l'ordre de 1 000 °C envisageables en fonderie, ou localement lors de soudures.
Vaporisation/ liquéfaction
De même, le passage de la phase liquide à la phase gazeuse correspond à la totale disparition des liaisons intermoléculaires : chaque molécule devient quasiment indépendante des autres. La vaporisation nécessite un apport énergétique moins élevée que la fusion.
Exemple : à pression et température ambiante normales, l'eau bout à 100 °C.
Tant que le changement d'état a lieu, toute l'énergie apportée par la chaleur sert exclusivement à rompre des liaisons : le matériau ne change donc absolument pas de température.
Exemple : un glaçon chauffé fond mais reste à 0 °C tant qu'il existe.
Sublimation/ condensation
Certains matériaux, en petit nombre, ont la possibilité d'effectuer directement le passage de l'état solide à l'état gazeux sans fondre. Cette transformation est appelée une sublimation.
Exemple : dans un placard, des boules antimites solides se « vaporisent » directement. En fait, elles se subliment. L'explication tient à la très faible force d'interaction qui unit entre elles les molécules d'antimite.

Zoom sur…

La nanotechnologie
La nanotechnologie s'apparente aux jeux de Lego pour enfants : conceptuellement, il suffit d'imbriquer les atomes les uns sur les autres. Ce potentiel ludique ne pouvait rester bien longtemps inexploité puisqu'une société (Playgen) est en train d'élaborer « un jeu éducatif 3D basé sur la compréhension des nanosciences et des nanotechnologies ». Les joueurs doivent réagir à des environnements créatifs afin de faciliter l'apprentissage de la construction moléculaire, la nanoimagerie, la création d'outils nanotechnologiques, la nanomédecine, la manipulation d'électrons et les nanomatériaux.
Par ailleurs, l'industrie du textile voit apparaître depuis un an de nouveaux matériaux textile, considérés comme « intelligents » ; il s'agit de semelles, chaussettes et pantalons, de raquettes et clubs de golf, dont la structure a été dopée à l'échelle microscopique par de nouvelles molécules (des dopants) censées réagir à une contrainte particulière. Ainsi, dans le cas des pantalons, la fibre réagit aux variations brusques de température : en cas d'élévation de température, la nanostructure absorbe l'excès de chaleur (par exemple liée à la transpiration), et la relibère en cas d'un abaissement de température (par exemple lors du passage dans une pièce climatisée).
------------------------------------------------------------
copyright © 2006-2018, rue des écoles