nouveaux materiaux

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I. Matériaux nanostructurés et textiles innovants Les matériaux nanostructurés présentent de très nombreuses applications, notamment en industrie textile et en médecine. Doc 1 : Les nanomatériaux Les nanomatériaux sont constitués de nanoparticules (particules dont l'une des dimensions au moins est inférieure à 100 nm). On distingue les matériaux nanostructurés des nanocomposites. Les matériaux nanostructurés peuvent l'être en surface (c'est le cas notamment des tissus présentant un revêtement de surface nanostructuré et présentant ainsi des propriétés antibactériennes ou antitaches) ou en volume (comme les nanopoudres). Les nanocomposites sont des matériaux constitués d'une matrice pouvant être en polymère, en métal ou en verre, à l'intérieur de laquelle sont insérés des nano-objets visant à conférer à la matrice de nouvelles propriétés. Doc 2 : Les nanocapsules Les nanocapsules sont des sphères d'une taille nanométrique qui peuvent renfermer une substance chimique. Les principales applications des nanocapsules se trouvent dans le domaine du textile (textiles innovants), des cosmétiques (crèmes, parfums) et de la médecine (délivrance contrôlée de médicaments). Doc 3 : Les différents textiles innovants Les textiles innovants peuvent être répartis en trois groupes : les textiles à base de fibres nouvelles (fibres métalliques, fibres liquides en spray, qui durcissent sur le corps pour former un vêtement...) ; les textiles sensibles qui réagissent à certaines contraintes extérieures (température, humidité, luminosité, etc.) ; et enfin les textiles intelligents, qui interagissent avec le milieu extérieur de façon contrôlée grâce à un système électronique (vêtements thermorégulateurs, baskets « sonores », tissus en fibres optiques. Les branches de la science permettant de développer ces nouvelles fonctionnalités sont nombreuses (électronique, nano ou microchimie, mécanique des fibres...) Doc 4 : Les fibres « actives » Les fonctionnalités de certains textiles innovants nécessitent la présence de micro ou nanocapsules, fixées sur les fibres du textile (Fig. ci-contre) et contenant une molécule active. Il en est ainsi des vêtements amincissants, hydratants, ou thermochromes (changeant de couleur en fonction de la température). Ces capsules sont généralement fabriquées en matériau polymère. Une fois la molécule enfermée dans les capsules, ces dernières sont accrochées aux fibres textiles à l'aide d'un liant adapté. En fonction de l'application souhaitée, la molécule active est libérée par diffusion lente à l'extérieur de la capsule (vêtements odorants) ou

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Page 1: Nouveaux Materiaux

I. Matériaux nanostructurés et textiles innovantsLes matériaux nanostructurés présentent de très nombreuses applications, notamment en industrie textile et en médecine.Doc 1   : Les nanomatériaux Les nanomatériaux sont constitués de nanoparticules (particules dont l'une des dimensions au moins est inférieure à 100 nm). On distingue les matériaux nanostructurés des nanocomposites. Les matériaux nanostructurés peuvent l'être en surface (c'est le cas notamment des tissus présentant un revêtement de surface nanostructuré et présentant ainsi des propriétés antibactériennes ou antitaches) ou en volume (comme les nanopoudres). Les nanocomposites sont des matériaux constitués d'une matrice pouvant être en polymère, en métal ou en verre, à l'intérieur de laquelle sont insérés des nano-objets visant à conférer à la matrice de nouvelles propriétés.Doc 2   : Les nanocapsules Les nanocapsules sont des sphères d'une taille nanométrique qui peuvent renfermer une substance chimique. Les principales applications des nanocapsules se trouvent dans le domaine du textile (textiles innovants), des cosmétiques (crèmes, parfums) et de la médecine (délivrance contrôlée de médicaments).Doc 3   : Les différents textiles innovants Les textiles innovants peuvent être répartis en trois groupes : les textiles à base de fibres nouvelles (fibres métalliques, fibres liquides en spray, qui durcissent sur le corps pour former un vêtement...) ; les textiles sensibles qui réagissent à certaines contraintes extérieures (température, humidité, luminosité, etc.) ; et enfin les textiles intelligents, qui interagissent avec le milieu extérieur de façon contrôlée grâce à un système électronique (vêtements thermorégulateurs, baskets « sonores », tissus en fibres optiques. Les branches de la science permettant de développer ces nouvelles fonctionnalités sont nombreuses (électronique, nano ou microchimie, mécanique des fibres...)Doc 4   : Les fibres « actives » Les fonctionnalités de certains textiles innovants nécessitent la présence de micro ou nanocapsules, fixées sur les fibres du textile (Fig. ci-contre) et contenant une molécule active. Il en est ainsi des vêtements amincissants, hydratants, ou thermochromes (changeant de couleur en fonction de la température).Ces capsules sont généralement fabriquées en matériau polymère. Une fois la molécule enfermée dans les capsules, ces dernières sont accrochées aux fibres textiles à l'aide d'un liant adapté.En fonction de l'application souhaitée, la molécule active est libérée par diffusion lente à l'extérieur de la capsule (vêtements odorants) ou par rupture des capsules lors du frottement des fibres sur la peau (vêtements amincissants, hydratants...), ou bien définitivement emprisonnée à l'intérieur des capsules (vêtements thermochromes, intelligents...).Le lavage en machine réduit grandement le nombre de capsules restant sur le vêtement : on estime ainsi que les fibres cessent d'être actives au bout de quelques lavages.Doc5   : Action des nanomédicaments Contrairement à certains médicaments classiques, susceptibles d'être détruits par des enzymes du corps humain, les nanomédicaments, de par leur taille, pénètrent facilement dans l'organisme.La biodégradation des capsules contenant les principes actifs ne pouvant se faire que dans des conditions chimiques particulières, on peut cibler le milieu biologique à atteindre par le traitement, et ne traiter ainsi que les cellules qui en ont besoin.La dose de médicaments à administrer est donc réduite, ce qui peut limiter les effets non souhaités et gênants. On peut également donner aux nanomédicaments une formulation plus spécifique qu'aux médicaments traditionnels, ce qui leur confère une action plus ciblée et efficace.

Extraire et exploiter des informations1- Donner les différentes classes de nanomatériaux.2- Dans quelle catégorie se situent :2.a) les nanocapsules de médicaments ?

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2.b) les résines époxy renforcées en nanotubes de carbone, pouvant être utilisées dans les équipements sportifs ou en aéronautique ?2.c) les fibres des vêtements thermochromes ?3- Qu'est-ce qu'une nanocapsule ?4- @Rechercher, éventuellement sur Internet, quels sont les effets néfastes soupçonnés des nanoparticules.5- Dans le domaine du textile innovant5.a) Comment les nanocapsules sont-elles utilisées ?5.b) Quel est le rôle des nanocapsules dans les différents cas présentés ici ?5.c) Comment les nanocapsules se brisent-elles ? Leur rupture est-elle souhaitable ? Détailler la réponse.5.d) Pourquoi les lavages en machine réduisent-ils le nombre de capsules restant sur les vêtements ?6- Dans le domaine du médicament6.a) Comment les nanocapsules sont-elles utilisées ?6.b) Quel est le rôle des nanocapsules dans ce cas ?6.c) Comment les nanocapsules se brisent-elles ? Leur rupture est-elle souhaitable ? Détailler la réponse.6.d) En quoi les nanocapsules permettent-elles l'administration d'une dose de principe actif réduite ?7- Citer trois types de textiles innovants.8- Dans quelle catégorie classerait-on :8.a) un vêtement tissé en fibres optiques ?8.b) un vêtement contenant une substance auto-bronzante encapsulée, agissant sur la peau lorsqu'elle entre en contact avec elle ?8.c) un vêtement mesurant le rythme cardiaque d'un patient malade et l'affichant sur un tableau de bord via une connexion wifi intégrée ?Pour conclure9- Donner quelques applications des matériaux nanostructurés.10- Donner quelques caractéristiques des nanocapsules utilisées dans le domaine pharmaceutique ou dans le textile.

II. Les matériaux compositesL'étude du comportement des matériaux composites est complexe. Certaines pro¬priétés permettent cependant de les caractériser.

Situation problèmeLes matériaux composites sont essentiellement constitués d'une matrice dans laquelle se trouve un renfort. La matrice et le renfort appartiennent généralement à deux classes différentes de matériaux parmi les trois suivantes : métaux, polymères et céramiques.La grande variété des matériaux composites est apparue dans les années 1950, et est aujourd'hui utilisée dans tous les domaines où une très bonne tenue mécanique du matériel est nécessaire (bâtiment, aéronautique, équipement sportif...).

Analyse du problèmeLa matrice permet de maintenir le renfort, de répartir les contraintes mécaniques au sein du matériau, d'assurer la tenue chimique du matériau et de conférer sa forme au produit fini. Le renfort a pour unique rôle d'améliorer la résistance mécanique et la rigidité du matériau.

Question scientifique à résoudreDe quels paramètres dépendent les propriétés mécaniques d'un matériau composite ?

Construction des étapes de la résolutionDans le bâtiment, on utilise, entre autres composites, le béton armé, constitué d'une matrice de ciment renforcée par des barres d'acier ou par des pierres dures. Dans l'aéronautique, 50 % des matériaux utilisés sont des composites obtenus à partir d'une matrice en résine polymère renforcée en fibres de carbone. Dans l'équipement sportif, notamment pour la fabrication de cadres de raquettes de tennis ou de guidons de vélo, on utilise une matrice métallique renforcée en fibres de carbone.1.a) Selon vous, quelles sont les propriétés attendues d'un béton armé ? d'un matériau composite utilisé dans l'aéronautique ? d'un matériel d'équipement sportif ?

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1.b) Quelles sont les deux familles de matériaux mises en jeu dans chacun des trois composites présentés ?1.c) Quel premier paramètre peut être mis à profit pour les attentes souhaitées ?

Dans une encyclopédie, on peut lire : « L'aéronautique utilise des composites contenant plus de 60 % de fibres continues de carbone, alors que ceux de grande diffusion ne comportent qu'environ 30 % de fibres de verre courtes. »Les composites dits de grande diffusion sont utilisés notamment pour les téléphones portables, ordinateurs, téléviseurs.2- En analysant les exigences dans les deux domaines cités :2.a) Comparer qualitativement l'efficacité des fibres de carbone à celle des fibres de verre ;2.b) Déterminer l'effet de la structure du renfort ;2.c) Déterminer l'effet de la charge en renfort du matériau composite.

Mise en œuvre des étapes de la résolutionLa contrainte représente une force par unité de surface. Le module de Young d'un matériau correspond au rapport de la contrainte subie par l'élongation qu'elle engendre. Il est défini tant que la déformation du matériau n'est pas définitive. On donne ci-dessous les propriétés de quelques fibres de renfort.

Diamètre dufilament (m)

Masse volumique(kg.m-3)

Module de Younglongitudinal (GPa)

Contrainte derupture (GPa)

Verre grande diffusion 16 2 600 74 2,5Verre haute performance 10 2 500 86 3,2Carbone haut module 6,5 1 800 390 2,5Carbone haute résistance 7 1 750 230 3,2Kevlar 12 1 450 130 2,9

Le Kevlar est le nom commercial de la fibre aramide, utilisée notamment pour les équipements pare-balles.

3.a) Quelle est la signification de chaque paramètre figurant dans le tableau ?3.b) Quelle est l'influence de chaque paramètre sur le matériau composite final, sa forme étant fixée ?3.c) Quelles propriétés devra-t-on analyser avant de choisir une fibre de renfort pour une application donnée ?Le renfort peut se présenter sous forme de charges renforçantes (billes de verre, sable, gravier...) ou de fibres. Les fibres peuvent être courtes (0,1 à 1 mm), longues (1 à 50 mm) ou continues (longueur supérieure à 50 mm). Les fibres continues peuvent être tissées de différentes manières. Paradoxalement, un tissage trop serré peut nuire aux propriétés mécaniques du composite car il devient difficile à mettre en forme.4.a) Quelles sont les différentes structures que peut avoir le renfort d'un composite ?4.b) Quelle doit être la structure du renfort pour apporter une meilleure tenue mécanique au composite final?

Pour conclure5.a) Rappeler quelques exemples et applications de matériaux composites.5.b) Donner les principaux paramètres dont dépendent les propriétés mécaniques des matériaux composites.

(Un matériau composite est constitué d'une matrice et d'un renfort qui appartiennent généralement à des classes de matériaux différentes.Les matériaux composites présentent des propriétés que la matrice et le renfort seuls ne possèdent pas, et qui sont nécessaires pour les applications souhaitées.)

III. Du crayon à papier aux nanotubes de carboneLe graphite est un matériau friable et glissant, le diamant est l'un des produits naturels les plus durs qui soient, et les nanotubes de carbone sont plus résistants que l'acier mais ont une masse volumique six fois moindre. Comment expliquer ces différences ? Par un arrangement différent des atomes de carbone dans l'espace : on dit que ces matériaux sont trois formes allotropiques du carbone.

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Dans le graphite (dont est composée la mine de crayon), les atomes de carbone sont liés entre eux par des liaisons covalentes dans seulement deux dimensions. Les atomes de carbone forment des plans d'hexagones (appelés feuillets de graphène) qui ne se sont liés entre eux que par des forces de Van der Waals attractives. Comme ces forces sont relativement faibles, les feuillets peuvent facilement glisser les uns sur les autres.

Dans le diamant, chaque atome de carbone est lié à quatre autres atomes de carbone se plaçant aux sommets d'un tétraèdre régulier. Ceci crée un réseau à trois dimensions extrêmement solide.

La structure des nanotubes de carbone peut se comprendre en imaginant que l'on a enroulé une feuille de graphène autour d'un cylindre. Suivant l'orientation des hexagones, on classe les nanotubes dans trois catégories : zigzag, chaise ou chiral. Cette structure leur confère des propriétés de résistance mécanique, de conduction électrique et de conduction thermique exceptionnelles : ils sont très résistants à la déformation, ils peuvent dans certains cas être d'excellents conducteurs électriques, ils présentent une conductivité thermique à température ambiante qui peut aller jusqu'à 6 600 W. m-1.K-1.

Quelques distances interatomiques dam les feuillets graphitiques des nanotubes.

Enroulement d'un feuillet de graphène pour former un nanotube de carbone.Figure 4

Énergie molaire de liaison Em

C'est l'énergie qu'il faut fournir pour rompre la liaison schématisée par - - - d'une mole d'espèce chimique A - B selon le processus A - B (g) A(g) + B(g)Ordres de grandeur:Em (liaison de Van der Waals) = 10 kJ.mol-1 Em (liaison covalente) = 400 kJ.mol-1.

Extraire des informations1- Qu'est-ce qui différencie une liaison covalente d'une liaison de Van der Waals ?2- Pourquoi cela permet-il d'expliquer que le graphite est un matériau qui s'effrite facilement ?3- Qu'est-ce qui permet d'expliquer la grande solidité du diamant ?4- De combien de « voisins » un atome de carbone est-il entouré dans le diamant ? Donner sa représentation de Cram.5- Qu'est-ce qui différencie les nanotubes zigzag des nanotubes chaise ?

Interpréter et exploiter6- De combien de « voisins » un atome de carbone est-il entouré dans un nanotube ? Respecte-t-il la règle de l'octet ?7- En déduire une explication possible à la très grande conductivité électrique de certains nanotubes.

Effectuer un calcul et interpréter8- En utilisant les données, calculer le périmètre (en nanomètre) du nanotube représenté sur la jure k En déduire son rayon.9- Calculer alors le volume d'un tel nanotube d'une longueur de 1,0 mm.

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10- Montrer que ce nanotube comporte au total 8.107 atomes de carbone.11- On sait qu'un cm3 contient environ 8.1014 nanotubes. En déduire la masse volumique des nanotubes en kg.m-3.12- La masse volumique de l'acier est de l'ordre de 7 500 kg.m-3. La première phrase du texte est-elle justifiée ?13- Quelle interprétation physique peut-on faire de la conductivité thermique d'un nanotube ?14- Rechercher la valeur de la conductivité thermique de quelques matériaux courants.15- En déduire quelle propriété exceptionnelle possède un nanotube de carbone.

Pour conclure@ Quelles sont les principales caractéristiques des nanotubes de carbone?@ Rechercher quelques exemples d'utilisation des nanotubes de carbone.

IV. Comprendre un procédé de fabrication : comment synthétiser des nanotubes de carbone?II existe divers procédés de fabrication des nanotubes de carbone. L'un d'eux, le dépôt chimique en phase vapeur, ou CVD (chemical vapor deposition), ne nécessite pas des températures très élevées et sa mise en œuvre industrielle est relativement simple. Quelles sont les différentes étapes de ce procédé?Étape 1   : Préparation de la solution Dans une enceinte fermée, une solution est préparée en mélangeant un hydrocarbure liquide (cyclohexane C6H12, toluène C7H8, etc.), principale source de carbone pour la formation des nanotubes et un précurseur contenant du fer (ferrocène C5H10—Fe—C5H10) ou du nickel (nickelocène C5H10—Ni—C5H10).La solution est envoyée vers un système injecteur.Étape 2   : Formation de l'aérosol — contrôle de l'injection Dans l'injecteur, la solution est transformée en aérosol grâce à un gaz inerte. Celui-ci passe par un tube d'évaporation où il est porté à une température d'environ 200 °C. Les vapeurs formées sont envoyées vers le réacteur sous la forme de jets dont le volume et la durée sont étroitement contrôlés.Étape 3   : Formation des nanotubes de carbone Le réacteur est placé dans un four dont la température est maintenue à une valeur comprise entre 500 °C et 1000 °C, selon la composition de l'aérosol.

Phase 1 : formation des nanoparticules métalliquesLa température élevée dans le réacteur provoque la décomposition des constituants de l'aérosol injecté.En phase vapeur, des nanoparticules métalliques se forment rapidement et se déposent sur les parois du réacteur. Autour de ces nanoparticules, qui jouent le rôle de catalyseur, les atomes de carbone vont s'organiser pour former les nanotubes de carbone.

Phase 2 : croissance des nanotubes de carboneLes nanotubes croissent par la base, perpendiculairement à la paroi du réacteur. Les liaisons carbone - carbone se forment au voisinage des nanoparticules.Au bout de quelques minutes, un tapis de nanotubes est formé.Des jets successifs d'aérosol permettent d'apporter de nouvelles nanoparticules métalliques et d'autres atomes de carbone afin de poursuivre la formation d'un tapis multicouches de nanotubes.Chaque injection conduit à la formation d'une nouvelle couche sous la précédente.Au bout de 15 minutes, le réacteur est tapissé d'une forêt de nanotubes d'environ 1 mm de longueur et contenant environ 1 milliard de nanotubes par centimètre carré.Leur diamètre dépend de la nature du précurseur et des conditions physiques dans le réacteur.Les nanotubes obtenus par ce procédé présentent des caractéristiques géométriques (longueur, diamètre) très uniformes.Étape 4   : Récupération des nanotubes Le réacteur est placé dans une enceinte ventilée dans laquelle les nanotubes sont récupérés.Etape 5   : Purification des nanotubes Pour libérer les nanoparticules sur lesquelles se sont développés les nanotubes, ces derniers sont recuits dans une atmosphère de gaz inerte.Cette opération permet en outre d'éliminer certains défauts comme la présence de morceaux de graphène.

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Étape 1   : 1- Écrire la formule semi-développée de chacun des deux hydrocarbures cités dans le protocole sachant qu'ils présentent tous les deux un cycle à 6 atomes de carbone.2- @ Qu'est-ce qu'un précurseur?3- D'où proviennent les atomes de carbone qui formeront les nanotubes?Étape 2   : 4- @ Qu'est-ce qu'un aérosol?Citer des exemples de gaz inertes vis-à-vis du carbone et de l'hydrogène.5- @ Quelle est la température d'ébullition du cyclohexane et celle du toluène?Justifier la valeur de la température du tube d'évaporation.6- Pourquoi utiliser un gaz inerte pour former cet aérosol?Étape 3 Phase 1   : 7- Pourquoi une température élevée favorise-t-elle la décomposition des espèces chimiques injectées?8- On suppose que le précurseur est le ferrocène. Quel est le rôle des atomes de fer provenant du ferrocène dans la synthèse des nanotubes?Étape 3 Phase 2   : 9- Quelle est la caractéristique géométrique liée à la durée de l'injection?10- Pourquoi injecter régulièrement l'aérosol? Étape 4   : 11- Pourquoi les nanotubes sont-ils récupérés dans une enceinte ventilée?12- Quels sont les avantages de ce procédé de fabrication des nanotubes?Étape 5   : 13- @ Rechercher ce qu'est le graphène et comment expliquer la présence de graphène entre les nanotubes de carbone?