Les Nanomatériaux : la révolution invisible
Domaines d’étude Mots-clés
Nouveaux matériaux Nanotubes, nanoparticules.
Matériaux nanostructurés.
Matériaux composites Céramiques, verres.
Matériaux biocompatibles, textiles innovants.
Rappels du programme de seconde et de première :
Structure électronique, règles de l’octet et du
« duet »
La pression
Liaison covalente, géométrie des molécules Interaction de Van der Waals
Propriétés de matériaux organisés Nanochimie
Connaître la constitution d'un atome et utiliser le symbole d'un noyau
Dénombrer les électrons de la couche externe Représenter des formules (semi-)développées correspondant à des modèles moléculaires
Savoir qu’à une formule brute peuvent correspondre plusieurs formules semi-développées
Utiliser des modèles moléculaires et des logiciels de représentation
Utiliser la relation P=F/S
Décrire à l’aide des règles du « duet » et de l’octet les liaisons que peut établir un atome avec les atomes voisins.
Reconnaître une chaine carbonée
Exploiter des informations pour relier les propriétés physiques d’un matériau à sa structure microscopique Recueillir et exploiter des informations pour relier des propriétés physiques d’un matériau à sa structure microscopique
Recueillir et exploiter des informations sur un aspect de la nanochimie.
Lycée H d’Urfé ST ETIENNE Académie de Lyon
Activité 1 : Analyse et synthèse de documents scientifique
.
Document n°1 : Les nanoparticules, du crayon de papier aux nanotubes de carbone
Le graphite qui compose la mine du crayon à papier, le diamant qui orne certains bijoux, les fullerènes et autres nanotubes de carbone (NTC) utilisés dans certains composants électroniques ont un point commun : ils sont tous constitués d'atomes de carbone exclusivement. Et pourtant, ils ont des propriétés bien différentes.
Dans le graphite, les atomes de carbone forment des plans d'hexagones, appelés feuillets de graphène, liés entre eux par des liaisons de Van der Waals. Les feuillets-plans, sont parallèles les uns aux autres et distants de 0,335 nm.
Le graphène est un excellent conducteur électrique qui pourrait remplacer le silicium en électronique. Dans le diamant, en revanche, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone par quatre liaisons covalentes.
Le « footballène » ou C60 est exemple de fullerène. Il s’agit d’une molécule de forme polyédrique comportant 60 atomes de carbone. D’un rayon voisin de 0,6 nm elle pourrait permettre, par exemple, d’enfermer une molécule de médicament afin de l'amener et la libérer directement au niveau de la cellule malade.
Les nanotubes de carbone sont obtenus en enroulant un feuillet de graphène autour d'un cylindre (imaginaire). Les tubes, ou rouleaux, ainsi obtenus ont un diamètre compris entre 1 et 20 nm et une longueur pouvant atteindre 1 mm.
Leur masse volumique est 6 fois plus petite que celle de l'acier : elle est de l'ordre de 1 300 kg.m -3. Outre leurs exceptionnelles résistances mécanique et thermique, ils n'opposent aucune résistance au passage du courant électrique à basse température.
Extrait de Science et Vie – Hors-série n°353.
Document n°2 : Différents formes cristallines du carbone
Document n°3 :
Représentation d’une maille élémentaire de carbone diamant Chaque maille, de longueur a, contient 8 atomes de carbone.
A- Etude comparative Carbone diamant - Carbone graphite
1. a. Rappeler, en détaillant le raisonnement, la structure électronique d’un atome de carbone.
b. En déduire le nombre de liaisons covalentes dans lesquelles un atome de carbone est susceptible de s’engager.
2. a. Représenter un feuillet de graphène, d’une part, un atome de carbone au sein du diamant dans la représentation de Cram d’autre part.
b. Les construire à l’aide de modèles moléculaires
3. a. Préciser dans chaque cas, si les atomes de carbone respectent la règle de l’octet ou celle du « duet » ?
b. En déduire le caractère conducteur ou isolant d’un échantillon de chacun de ces matériaux.
c. Proposer un protocole expérimental permettant de vérifier une partie de la réponse proposée. Après validation par le professeur, la réaliser en notant les observations et les conclusions.
4. Sachant que l'énergie de liaison de deux atomes de carbone est d'environ 350 kJ×mol-1 et que celle d'une liaison de Van der Waals est inférieure à 10 kJ.mol-1, quel matériau est susceptible de s'effriter aisément par simple frottement ?
5. a. Calculer la masse volumique du diamant.
On donne la masse d'un nucléon : m (nucléon) = 1,67.10 -27 kg
b. Déterminer, à l'aide de la mine de crayon, la masse volumique, du graphite.
6. En effectuant éventuellement une recherche sur internet, trouver une autre utilisation de ces deux matériaux que celles mentionnées dans le texte
B- Les nanotubes de carbone
1. a. Comment obtient-on des fullerènes ou des nanotubes ? b. Justifier l'appellation « nano » pour qualifier ces matériaux.
2. Comparer la densité des nanotubes de carbone à celle de matériaux couramment utilisé dans l’industrie : Graphite, Aluminium, Acier par exemple. Commenter le résultat.
3. a. A partir des données du doc. 4, justifier les unités associées aux grandeurs physiques contrainte et déformation.
b. La loi de Hooke est une loi modélisant le comportement élastique des matériaux. Sur le graphe σ = f(ε) du doc 4, à quelle partie de la courbe est associée la zone d’élasticité d’un matériau ? A quelle caractéristique correspond le module d’élasticité E ? En déduire son unité.
c. Tracer sur un même graphe l’allure de la courbe de variation σ = f(ε) pour un échantillon d’acier et pour un échantillon de nanotubes de carbone.
d. Quel est, de ces deux matériaux, le moins rigide ? Justifier.
4. Trouver d'autres utilisations des nanotubes que celle mentionnée dans le texte.
C- Conclusion
Seul ou par groupe de 2 ou 3, compléter le tableau récapitulatif (donné en annexe).
Dans ce tableau, une valeur est attendue si, l’unité de la grandeur est précisée, une réponse qualitative dans les autres cas convient.
Conclure en rappelant les dimensions des nanotubes de carbone et en précisant leurs singularités et leurs intérêts.
Lycée H d’Urfé ST ETIENNE Académie de Lyon
Document n°5 : Différentes caractéristiques de matériaux Nanotubes
de carbone acier graphite Aluminium Diamant
densité 1,3 7,5 à 8,1 2,2 2,7 3,5
Conductivité électrique en
S.m-1 >5,9×107 1,7×106 à 8,7 ×106
6,1×104 dans le plan des
feuillets 3,8×107 Très faible Conductivité thermique
(W.m-1.K-1 à 20 °C) 6600 60 129 200 1000-2600
Module d’élasticité E en
GPa 1100 210 30 69 1000
ANNEXE : Tableau récapitulatif des propriétés du carbone sous ses différentes formes.
Propriétés Graphite Diamant Nanotube
Disposition des atomes de carbone
Comportement mécanique Passage du courant
électrique Masse volumique
(en kg.m
– 3)
Conductivité thermique
Utilisations
Activité 2 : Comment accéder à une longueur du domaine du nanomètre sans outil de précision ?
Benjamin FRANKLIN ET LES MOLECULES D’HUILE
« Au 18e siècle (1774), au bord d’un étang, à Clapham près de Londres, Benjamin FRANKLIN (l’homme des paratonnerres et un des artisans de l’indépendance américaine) fit l’expérience suivante : il versa doucement une cuillerée d’huile d’olive sur l’étang. L’huile s’est étalée, la « peau » de l’eau était devenue comme rigide : c’est ce phénomène qui a permis à Franklin d’évaluer assez bien la surface du film d’huile : elle est d’environ 2 000 m².
Franklin n’a pas déterminé la longueur d’une molécule (il en ignorait l’existence).
En refaisant l’expérience, un siècle plus tard, à une échelle réduite, Lord Rayleigh réussit à déterminer l’ordre de grandeur de la taille d’une molécule d’huile. »
(D’après Pierre-Gilles de Gennes, Les objets fragiles)
Objectif de la manipulation : Déterminer l’ordre de grandeur de la taille d’une molécule d’huile en reproduisant l’expérience de Franklin au laboratoire.
Pour aider à la compréhension répondre à la question ci-dessous :
Quand l’huile s’étale sur l’eau, comment s’organisent les molécules ? Choisir une des 4 situations proposées en argumentant.
Vous détaillerez le protocole envisagé et le proposerez au professeur avant de manipuler.
Le matériel mis à votre disposition est le suivant :
Un cristallisoir, une éprouvette graduée de 10 mL, de l’éther de pétrole, un compte-gouttes, du talc, un tamis, de l’eau, de l’huile, une solution d’huile diluée 1000 fois dans l’éther de pétrole, un bécher et une règle.
Lycée H d’Urfé ST ETIENNE Académie de Lyon
Indications utiles à la résolution du problème : Indication n°1 :
Comme tous les corps gras, l’huile d’olive est constituée en majorité d’acide oléique : une longue chaîne d’atomes possédant des propriétés particulières. L’une des extrémités de la molécule est hydrophile (« qui aime l’eau ») : nous l’appellerons « tête polaire ». Le reste de la molécule est hydrophobe : c’est une longue chaîne carbonée (appelée queue de la molécule) formée d’atomes de carbone et d’hydrogène.
Indication n°2 :
Indication n°3 :
Pour accéder au volume d’un petit objet, on peut déterminer le volume d’un nombre important de cet objet.
Indication n°4 :
Du talc saupoudré en très faible quantité au-dessus de l’eau, avant l’ajout de l’huile, permet de faire apparaître plus nettement la tache d’huile formée sur l’eau.
Indication n°5 :
Espèces chimiques eau huile
(oléine)
éther de pétrole (mélange)
température de fusion (°C) 0 - 32 ---
température d’ébullition (°C) 100 --- Entre 40 et 65
Densité 1,00 0,89 < 1,00
solubilité dans l’eau
x nulle nulle
pictogramme de sécurité
