Lycée de la côtière spécialité- thème 3 -nanotechnologies
Chap 1 :Les nanotechnologies .
Thème : nouveaux matériaux.
Mots clés : nanotubes, nanoparticules, matériaux nanostructurés.
Activité 1 ( documentaire) : Le carbone à l’échelle nanométrique.
Objectif : connaitre les différentes structures du carbone, leurs propriétés, connaitre les applications qu’elles permettent d’envisager.
Document 1 : Le graphène
Le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il a été isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov.
Dans le graphite, la cohésion des couches de graphène entre elles est assurée par des interactions de Wan der Waals.
Document 2 : les nanotubes de carbone (source internet : technosciences.net)
Les nanotubes de carbone sont une forme de structure cristalline du carbone proche des fullerènes. Ils sont un des premiers produits industriels du domaine des nanotechnologies. Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl et Richard Smalley (ils ont obtenu collectivement le prix Nobel de chimie en 1996 pour leurs travaux sur les fullerènes).
En 1990, Wolfgang Kraetschmer et Don Huffman découvrent un procédé permettant de synthétiser des quantités importantes de fullerènes, permettant à la recherche de travailler sur des échantillons plus significatifs. Les nanotubes eux-mêmes ont été découverts en 1991 par Sumio Iijima, dans un sous- produit de fullerènes (un nanotube correspond à un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui-même, comme une feuille de papier).
Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans le monde de la recherche autant fondamentale qu'appliquée car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards. D'un point de vue mécanique, ils présentent à la fois une excellente rigidité ,comparable à celle de l'acier, tout en étant extrêmement légers (6 fois plus léger et 1000 fois plus résistants). Des points de vue électrique et optique, les nanotubes monofeuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit conducteur soit semi-
graphène
graphite
conducteurs en fonction de leur géométrie (diamètre du tube et angle d'enroulement de la feuille de graphène).
Applications envisagées : renforcement des matériaux composites, conducteurs ou semi-conducteur en électronique, nanobagues biocompatibles .
Document 3 : Molécules miracles pour écrans tactiles (source : courrier international 6/06/2012) Grâce aux nouveaux écrans tactiles des derniers appareils “intelligents”, il n’a jamais été aussi facile de naviguer sur le web. Toucher, c’est rapide, c’est drôle, c’est l’avenir ! Ces technologies pourraient malheureusement être condamnées à court terme. Les écrans tactiles de nos gadgets nomades, ainsi que tous les écrans à cristaux liquides utilisent en effet les propriétés particulières d’un matériau unique, un alliage de métaux dont les sources pourraient être épuisées d’ici dix ans. Et nos écrans ne sont pas les seuls menacés. Les cellules photovoltaïques et les LED à faible consommation – deux piliers de la lutte contre les émissions de carbone – pourraient également souffrir de cette pénurie.
Si vous ne saviez rien de tout cela, vous ne connaissez probablement pas non plus le nom de ce matériau.
Il s’agit d’un mélange de deux oxydes métalliques appelé oxyde d’indium-étain (ITO). Il est
essentiellement constitué d’indium, une terre rare, un métal aux propriétés précieuses, sous-produit de l’industrie minière du plomb et du zinc. Un produit cher, difficile à se procurer. Et, une fois en usine, l’alliage devient un matériau extrêmement difficile à travailler, instable et ne pardonnant pas la moindre erreur de fabrication.
Ses qualités nous font toutefois oublier ses défauts. L’ITO est en effet l’un des rares matériaux à la fois conducteurs d’électricité et transparents. Une propriété idéale pour les écrans tactiles. Car votre nouveau gadget de poche utilise la conductivité de vos doigts pour éliminer tout besoin de stylet. En touchant l’écran, vous changez la capacité électrique de la zone sous votre doigt – un changement qu’une simple couche d’ITO suffit à détecter.[……]
Alors, existe-t-il un matériau autre satisfaisant à tous les critères ? Oui, affirme Mark Hersam de la Northwestern University : les nanomatériaux à base de carbone. Le carbone est un caméléon chimique.
Dans certains cas, il est le matériau le plus opaque que nous connaissions, mais, réduit à l’état de structure nanométrique, il devient transparent. En juin 2010, une équipe de chercheurs sous la direction de Jong- Hyun Ahn et Byunh-Hee Hong, de l’université Sungkyunkwan de Suwon, en Corée du Sud, a mis au point un film composé de quatre couches de graphène adossées à un support plastique. Le graphène, matériau étonnant qui a valu le prix Nobel de physique 2010 à ses découvreurs [Andre Geim et
Konstantin Novoselov], est composé de feuilles de graphite de l’épaisseur d’un atome. L’association Nanotube de
carbone
(diamètre entre 0.6 et 1.8 nm)
Fullerène
Lycée de la côtière spécialité- thème 3 -nanotechnologies graphène-plastique laisse passer 90 % de la lumière visible et présente une conductivité presque aussi élevée que l’ITO de la meilleure qualité.
[….]
Exploitation :
1) Rappeler comment est constituée une liaison covalente. Rappeler ce qu’est une intéaction de Van der Waals. Comparer l’efficacité des interactions de Van Der Waals et des liaisons covalentes dans la cohésion des solides.
2) La mine de crayon est formée de carbone graphite. Elle s’effrite facilement et laisse ainsi une trace sur le papier. Expliquer pourquoi.
3) Sous quelle autre forme le carbone existe-il à l’état naturel ? Ses propriétés sont-elles comparables au graphite ? Quelle est sa structure ?
4) Suivant quelle figure géométrique sont disposés les carbones dans le graphène, nanotube ou fullerène.
5) Quel nombre de liaisons peut former un atome de carbone pour respecter la règle de l’octet. Cette règle est-elle respectée dans les structures graphène, nanotube ou fullerène.
6) En déduire une interprétation de la conductivité de certains nanotubes. Quelles caractéristiques des nanotubes fait varier leur conductivité. Dans quelles applications envisage-ton d’utiliser cette propriété.
7) Quelles sont les propriétés intéressantes des nanotubes de carbones du point de vu mécanique ? Quelles applications peut-on envisager ?
8) Comment la position d’un doigt est-elle détectée sur un écran tactile ?
9) Quelles sont les propriétés du graphène qui lui permettrait de remplacer l’ITO.
10) Expliquer les raisons qui poussent les chercheurs à chercher des matériaux pour remplacer les oxydes métalliques dans les écrans tactiles.
Activité 2 (expérimentale) : Synthèse de nanoparticules .
Les nanoparticules sont des particules dont les trois dimensions sont comprises entre 1 et 100nm
(1 nm =10-9 m). A cette échelle le comportement des particules est dominé par les effets quantiques.
Objectif : caractériser une suspension colloïdale, mettre en évidence les propriétés spécifiques des nanoparticules métalliques.
I Suspension colloïdale :
Un colloïde est une dispersion homogène de particules dans un liquide. Les dimensions des particules vont de 2 à 2000 nanomètres.
La caractéristique principale de ce mélange est l'effet négligeable des effets de gravitation par rapport à ceux de l'agitation thermique, dont la conséquence est l'absence de précipitation des particules
colloïdales. À l'autre bout de l'échelle, les particules colloïdales doivent être suffisamment grosses pour ne pas être solvatées.
Expériences :
- Verser 50mL d’une solution de thiosulfate de sodium 0,1 molL-1 dans un erlenmeyer, ajouter 2mL d’une solution d’acide chlorhydrique (H+(aq) +Cl-(aq) ) 0,1 molL-1 (la cinétique de la réaction est lente).
- Verser 50mL d’une solution de sulfate de zinc (Zn 2+(aq) + SO4-
(aq) ) 0,1 molL-1 dans un
erlenmeyer, ajouter 2mL d’une solution d’hydroxyde de sodium (Na+(aq) +OH-(aq) ). 0,1 molL-1 . - Verser 50mL d’eau dans un erlenmeyer, ajouter une goutte de colorant jaune.
- Faire passer un faisceau laser (rouge) à travers les trois erlenmeyer : le laser doit être impérativement placé sur un support stable et dirigé vers un mur.
- Laisser décanter les mélanges.
Observations :
1) Décrire le contenu des trois erlenmeyer en utilisant les termes homogènes, hétérogènes. Identifier le contenu correspondant à une solution, à une suspension.
2) Décrire le comportement de la lumière lorsqu’elle traverse une suspension, une solution : lumière transmise, lumière diffusée, lumière absorbée.
3) Identifier la suspension colloïdale et le précipité. Justifier.
Interprétation :
1) Les particules d’une suspension colloïdale sont-elles nanométriques ? 2) Rappeler à quoi correspond la solvatation d’une molécule dans l’eau.
3) La réaction qui a lieu dans l’erlenmeyer 1 est une réaction d’oxydoréduction. On donne ci les demi-équations des couples mis en jeux :
S2O32-
(aq)/ S (s) S2O32-
(aq) + 6 H +(aq) + 4 e– = 2 S + 3 H2O (l)
SO2(aq) / S2O32-
(aq) 2 SO2(aq) + 2 H +(aq) + 4 e = S2O32-
(aq) + H2O (l) Ecrire l’équation de la réaction.
4) La réaction 2 permet la formation d’hydroxyde de zinc Zn(OH)2. Ecrire l’équation de la réaction.
5) Identifier la nature des particules qui forment la suspension colloïdale.
II Synthèse de nanoparticules d’argent :
La synthèse des nanoparticules n’est pas aussi récente elle remonte au quatrième siècle après J-C. Les artisans romains ont fabriqués des verres qui contenaient des métaux de dimensions nanométriques.
Lycée de la côtière spécialité- thème 3 -nanotechnologies Un objet datant de cette période, appelé coupe de Lycrugus se trouve au British Museum à Londres. La coupe, qui représente la mort du roi Lycrugus, est fabriquée à partir de verre qui contient des
nanoparticules d’argent et d’or. Sa couleur change selon l’éclairage : si elle est éclairée par l’intérieur (lumière transmise), sa couleur devient rouge et si elle éclairée par l’extérieur (lumière réfléchie) sa couleur devient verte.
Dans les églises, les grandes variétés des couleurs des vitraux, sont dues à la présence dans le verre de nanoparticules de métal. Les particules de différentes tailles, absorbent différentes longueurs d’onde de la lumière, donnant au verre différentes couleurs. Le phénomène est cependant différent de celui connu dans les solutions il fait intervenir des phénomènes quantiques : absorption par un plasmon de surface.
Document : couleur d’une solution de nanoparticules d’argent en fonction de leur taille (Liz-Marzan, Materials Today, feb 2004).
Expérience :
-Verser 30mL d’une solution de tétrahydroborate de sodium (Na +(aq) + BH4-
(aq) ) de concentration 2,0.10-3 molL-1 dans un erlenmeyer, placer la solution dans un bain de glace pendant plusieurs minutes.
- Mettre la solution refroidie sous agitation puis ajouter gouttes à gouttes (1 goutte par seconde) une solution de nitrate d’argent (Na+(aq)+NO3-
(aq)) de concentration 1,0.10-3 molL-1. Stopper l’ajout quand le mélange se colore de manière significative.
Observation : Décrire le contenu de l’erlenmeyer.
Présenter trois arguments s’appuyant sur des observations expérimentales et sur les documents visant à prouver que l’on obtient une suspension colloïdale.
Lycée de la côtière spécialité- thème 3 -nanotechnologies Exploitation :
1) La solution de tétrahydroborate de sodium contient des ions hydrures H- qui réagissent avec les ions argent pour former l’argent métallique Ag. Les couples mis en jeux sont : H2/H- et Ag+/Ag.
Ecrire les demi-équations puis l’équation de la réaction d’oxydoréduction correspondante.
2) Quel est l’intérêt de refroidir la solution et d’ajouter le réactif en petite quantité ? 3) Pour un même métal quels facteurs font varier la couleur de la suspension obtenue.
4) Comparer la couleur de votre suspension avec celle de vos camarades puis conclure.
Activité 3 ( mixte ) : Surfaces nanostructurées , hydrophiles et hydrophobes.
Objectif : Monter que la présence d’une surface nanostructurée peut modifier les propriétés des matériaux.
Document 1 : Mouillabilité d’une surface (source internet : Alumater)
Le phénomène de mouillage (hydrophile) ou de non mouillage (hydrophobe) d'un solide par un liquide est plus facile à comprendre quand on se familiarise avec la définition de l’angle de contact.
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Surface hydrophobe Surface hydrophile
Sur une surface hydrophile une goutte d'eau peut s’étendre facilement, l’angle de contact devient minimal θ
< 90°.
Sur une surface hydrophobe, l'eau garde plutôt sa forme de gouttelette, l’angle de contact devient maximal 90 < θ < 150 ° ( θ> 150 ° surface super hydrophobe).
Document 2 : Les verres autonettoyants (source internet : l’univers du verre)
Le verre autonettoyant est un verre plat ordinaire sur lequel on dépose lors de sa fabrication une couche photocatalytique spéciale contenant du dioxyde de titane (TiO2) (nanoparticules) sur sa face extérieure. La couche sous l’effet des rayons ultraviolets du soleil provoque la dégradation progressivement des salissures ; c'est l'effet photocatalytique. En d'autres mots, l'effet photocatalytique consiste pour la couche à absorber les rayons ultraviolets entraînant une réaction chimique à sur la surface du verre qui détruit les salissures (matière organique) et les détache du verre.
Ce type de verre a de plus des propriétés hydrophiliques qui font que l'eau tombant sur la plaque de verre, lave le verre, au lieu de le laisser sale comme un verre ordinaire. En effet, au lieu de tomber en gouttes sur le verre, l'eau constitue progressivement un film qui, gravité oblige, finit par glisser le long du verre en le lavant. Pour mémoire, sur un verre traditionnel, les gouttes d'eau, surtout s'il y en a peu, restent sur le verre et s'évaporent ainsi, laissant en général des traces.
Au final, la combinaison de ces deux effets, laisse le verre à couche plus propres qu'un verre ordinaire pour une période significativement longue, spécialement si les conditions sont favorables (ensoleillement et pluie). A noter que la couche intérieure n'étant pas traitée doit être normalement lavée.
Document 3 : Les nanobiotechnologies (source internet : dossier sagasciences/cnrs.fr)
Pour créer de nouveaux dispositifs nanométriques, les chercheurs s’inspirent de la nature.[…..]
Un des développements majeurs par biomimétisme est celui des revêtements de surface. Ainsi, le lotus sert de modèle pour l’écoulement des fluides. Comme les feuilles de tulipes ou de rosiers, celles de lotus ne sont jamais mouillées : l’eau y perle puis s’écoule. Pourquoi ? Leur surface, nanostructurée, est recouverte de minuscules cristaux de cire, qui la rendent "super-hydrophobe". Ces pics empêchent l’étalement des gouttes, qui emportent avec elles les poussières bloquées aux sommets des aspérités. Entre autres applications envisagées : les peintures anti-salissure, les tissus anti-tâches ou les supports anti-bactériens. Intégrée dans des micro-tuyaux, cette astuce réduit les frictions sur les parois, qui, à très petite échelle bloquent le glissement du liquide (salive ou sang). [….]
Lycée de la côtière spécialité- thème 3 -nanotechnologies Document 4 :
Exploitation :
1) Schématiser au niveau macroscopique une goutte d’eau sur une surface très hydrophile puis sur une surface très hydrophobe.
2) Expliquer le terme photocatalyse.
3) Au cours de la réaction photocatalysée, il y a formation de dioxyde de carbone et d’eau. Le mécanisme de cette réaction n’est pas encore bien connu, si on suppose qu’elle fait intervenir le dioxygène, écrire l’équation d’une telle réaction avec une molécule organique de votre choix.
4) Pourquoi sur le verre ordinaire les gouttes s’évaporent-elles en laissant des traces ? 5) Expliquer ce qu’est le biomimétisme.
6) A l’aide du document 4, comparer le comportement de la goutte d’eau sur les deux types de surface.
En déduire pourquoi une surface super-hydrophobe plongée dans l’eau ressort complètement sèche.
7) Que peut-on utiliser pour créer les micro-tuyaux d’une surface super hydrophobe.
Expérience :
Lors d’une combustion incomplète, il se forme du carbone sous forme de particules très fine. Le dépôt d’une fine couche de noir de carbone sur du verre peut-il permettre de modifier les propriétés hydrophiles d’une telle surface ?
Mettre en œuvre une démarche expérimentale permettant de répondre à cette question.
Conclusion : Suite à l’exploitation des documents et aux résultats expérimentaux formuler une hypothèse sur la taille des particules de carbone à la surface du verre.
Protocole mis en œuvre :
Avec la flamme d’une bougie d’anniversaire « lécher » le dessous d’un récipient en verre bien propre.
Faire tomber une goutte d’eau sur la surface ainsi recouverte. Faire une photo.
Faire une photo d’une goutte sur la surface propre d’un autre récipient.
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Schéma 2 : goutte sur une surface rugueuse nanostructurée super -hydrophobe
Schéma 1 : goutte sur une surface rugueuse microstucturée hydrophobe.
On peut mesurer sur la photo1 un angle de contact de 130°, sur la photo2 on mesure un angle de 50°.
Le verre est hydrophile si on ajoute une couche de noir de carbone, la surface devient hydrophobe.
La surface n’étant pas hyper hydrophobe on peut supposer que la surface est microstructurée et non nanostructurée.
Bibliographie :
Clefs CEA Le nanomonde : la science change d’échelle.
De quelles couleurs sont les nanoparticules/ CNRS
Les applications environnementales des nanoparticules/Centre de vulgarisation de la connaissance.
Encyclopédie Wikipédia
Photo 1 : goutte sur le verre recouvert de noir de carbone
Photo 2 : goutte sur le verre
