La chimie douce

Quand les scientifiques recopient la nature

Qu'elle soit « douce » ou « écologique », la chimie des matériaux du futur vise à économiser l'énergie tout en protégeant l'environnement. Alors que les verres et céramiques « traditionnels » sont élaborés par fusion de matières premières à très haute température (supérieures à 1000°C), la chimie douce met en jeu des réactions à des températures plus proches de la température ambiante (20-200°C).

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Le « procédé sol-gel » est utilisé dans l'industrie

pour recouvrir des vitres de surfaces protectrices

et actives à température ambiante.




L'évolution de l'Homme est intimement liée à sa maîtrise des matériaux, l'art de copier la nature, de transformer la matière, de lui donner une forme, à la recherche d'une utilité pratique ou esthétique. C'est donc en observant la créativité des microorganismes planctoniques qui savent fabriquer des verres et des céramiques à température ambiante, à partir d'espèces dissoutes dans les eaux de mer, que les scientifiques ont eu l'idée de pratiquer la « chimie douce », en modifiant des procédés pour que les températures de réaction soient plus proches de la température ambiante.

Une bactérie à l'assaut des façades

La capacité naturelle de certaines bactéries non pathogènes à réaliser la biominéralisation, c'est-à-dire à fabriquer des céramiques de carbonate de calcium (CaCO3) (1), est ainsi employée en architecture. En raison de son innocuité pour l'Homme et l'environnement et de ses propriétés calcifiantes, la variété Bacillus cereus, que l'on trouve dans le sol, produit une « biopatine », qui permet de protéger les façades des monuments. Les pierres à traiter sont recouvertes par un « bouillon bactérien » (mélange de bactéries, de sels nutritifs et minéraux, d'un activateur de carbogénèse et d'un produit contre les moisissures), qui induit la minéralisation, c'est-à-dire modifie l'équilibre de réaction en faveur de la précipitation du carbonate de calcium . Les bactéries prolifèrent, fabriquent du calcaire puis meurent en laissant une patine de 4 à 5 mm d'épaisseur (appelée « biocalcite»), qui diminue la porosité des pierres et augmente leur résistance aux ravages du temps.

L'industrie utilise un autre procédé qui se déroule à des températures proches de la température ambiante, le « procédé sol-gel », pour recouvrir des vitres de surfaces protectrices et actives : anti-UV, antireflet, anti-IR... Il permet de synthétiser des verres de silice (SiO2) (2) , ou verres hybrides, à partir de réactions moléculaires en phase liquide. La polymérisation du mélange de précurseurs moléculaires d'alcoxydes, appelé « sol », conduit, en présence de sel et à pH acide, à un « gel » de suspensions colloïdales. La viscosité du gel ainsi obtenu est particulièrement adaptée au dépôt de films minces. Pour les revêtements antireflet, il suffit de plonger la vitre à recouvrir dans une cuve contenant une solution colloïdale d'alcoxydes de silicium dopée au titane (Ti) en présence de catalyseurs. La vitre est retirée à vitesse constante, séchée à température ambiante ou à l'étuve, ce qui assure un dépôt homogène de quelques nanomètres d'épaisseur. La surface « antireflet » de couches sol-gel d'oxydes de titane-silicium (TiO2-SiO2) protège également des agressions extérieures.

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Des bactéries capables de fabriquer des céramiques

(CaCO3)  sont utilisées en architecture pour protéger

les façades des monuments.



Matériaux du futur

Matériaux hybrides, - dans lesquels des espèces organiques et minérales sont liées à l'échelle moléculaire-, et réactions à température ambiante : la chimie continue à concilier observation de la nature, imagination scientifique et ingéniosité technologique, tout en ouvrant de nouveaux champs d'applications dans les domaines des biotechnologies, de la protection de l'environnement, de la médecine, de l'énergie... La chimie ne détruit plus la nature ; elle la copie.

Réalisé par Sandrine Irace-Guigand, Centre de vulgarisation de la connaissance, Université Paris-Sud 11, http://www.cvc.u-psud.fr

1 Precipitation : Ca2+aq + CO32-aq CaCO3 s

2 Si(OR)4 + 4H2O Si(OH)4 + 4 ROH et Si(OH) SiO2 + 2H2O



Glossaire

Alcoxyde : composé organo-minéral de formule M(OR)n où M est un ion positif (cation) métallique, R un groupe alkyl organique et n le nombre de plus proches voisins

Suspensions colloïdales : un colloïde est une particule solide (dans le cas présent un oxyde) dispersée dans un liquide et dont la taille est suffisamment petite pour que le mouvement brownien la maintienne en suspension (taille inférieure à un micron).



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Article publié en Juillet-Août 2006

dans Sciences Ouest n°234

 

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