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La chimie dans tous ses états

Eduardo Ruiz-Hitzky
p. 44-45

Texte intégral

1. Le four à micro-ondes : de la cuisine à la chimie de synthèse

1Un four à micro-ondes est un appareil électroménager utilisé principalement pour le chauffage rapide d’aliments, par agitation des molécules d’eau qu’ils contiennent sous l’effet d’un rayonnement micro-onde (Wikipédia). Dès les débuts, cette technologie fut principalement utilisée dans la cuisine et éventuellement dans des applications industrielles très précises, mais depuis une vingtaine d’années les fours à micro-ondes sont également utilisés dans les laboratoires de chimie pour activer des réactions chimiques et aussi pour préparer des matériaux dits « avancées » d’un grand intérêt dans les nouvelles technologies.

2Afin de bien comprendre les mécanismes d’action des micro-ondes, il faut considérer tout d’abord les concepts fondamentaux d’interaction des ondes électromagnétiques avec la matière et en particulier avec les molécules d’eau, suivie de leur transformation énergétique en mouvements de rotation moléculaire et du réchauffement de l’environnement immédiat des dites molécules. C’est ainsi que les réactions assistées par des micro-ondes entraînent une importante diminution du temps de réaction. En plus, on observe souvent une amélioration des rendements et, même de la sélectivité des réactions. L’application des micro-ondes entraine une économie considérable de temps et d’énergie (Chimie Verte). On peut combiner ceci avec les conditions de synthèse organique appelées « en phase sèche », c’est-à-dire en l’absence des solvants, où des solides inorganiques finement divisés jouent en quelque sorte le rôle d’un solvant en même temps qui supportent les réactifs. Ce qui initialement semblait une révolution en chimie de synthèse trouve de nos jours un cadre d’application très varié non seulement dans les laboratoires, mais aussi dans certains procédés industriels. En fait, des utilisations actuelles ouvrent d’intéressantes possibilités de synthèse en chimie de synthèse à la fois organique et inorganique, dans :

3- les réactions à l’état solide,

4- la préparation de matériaux céramiques,

5- la synthèse hydrothermale,

6- la digestion des matériaux solides pour l’analyse chimique,

7- la polymérisation de monomères et la préparation de
matériaux hybrides et de composites, etc.

2. Les argiles : une matière première pour matériaux avancés

8Parmi les matières premières les plus abondantes, universelles et accessibles, l’argile constitue sans aucun doute un exemple particulièrement intéressant. En fait, son utilisation vise des secteurs d’application extrêmement divers, depuis les plus traditionnels, comme la poterie et la construction (briques et tuiles) jusqu’à des matériaux sophistiqués comme certains catalyseurs hétérogènes, ce qui illustre l’utilité réelle et la grande versatilité de cette famille de silicates.

9En réalité une matière première aussi simple que l’argile peut aussi avoir des applications dans des domaines associés aux technologies « avancées ». C’est ainsi qu’elle peut être transformée en des matériaux pour des usages très spécifiques, voire des nano-matériaux fonctionnels. Dans le but d’illustrer ces concepts, on peut considérer divers exemples qui constituent une revue concise des matériaux fonctionnels à base d’argiles, qui ont fait l’objet d’études dans notre groupe de recherche pendant ces dernières années. À l’heure actuelle ces matériaux présentent un grand intérêt dans des applications diverses, telles qu’adsorbants spéciaux, catalyseurs spécifiques, matériaux anti-pollution, composants et dispositifs électriques et électrochimiques, membranes sélectives, systèmes photo-actifs ou même, dans la préparation d’adjuvants de dernière génération pour des vaccins. Parmi les exemples les plus récents, les argiles ont été à la base de la préparation de nouveaux matériaux hybrides multi-fonctionnels tels que les adsorbants magnétiques ou les graphènes supportés. Les argiles lamellaires, comme la montmorillonite, ou fibreuses, comme la sépiolite, traitées par des ferrofluides sont transformées en matériaux superparamagnétiques capables d’absorber très efficacement des espèces organiques et d’échanger des cations en solution. Leur caractère superparamagnétique facilite la capture du matériau par l’action d’un champ magnétique ce qui permet la séquestration et l’élimination de substances polluantes dans l’eau sans avoir recours à des processus complexes de récupération tels que la filtration, la centrifugation ou les procédés membranaires. En outre, du graphène supporté par les argiles a été produit par carbonisation contrôlée de composés organiques absolument inoffensifs tels que le caramel ou la gélatine. Il s’agit d’un nouveau procédé de préparation de matériaux du type « graphenoïde » par une « voie douce » qui mène à des composés carbone-argile avec des propriétés simultanément caractéristiques des deux composantes, c’est-à-dire l’adsorption et la conductivité électrique.

3. Le « laboratoire intra-cristallin » et la chimie dans les nano-espaces confinés

10Certains solides microcristallins nanoporeux offrent des espaces où l’accès moléculaire est contrôlé par différents facteurs, principalement du type stérique et topochimique. En effet, la taille et la forme, ainsi que la nature chimique des molécules hôtes sont déterminantes pour permettre leur passage à travers des nanofenêtres, pour l’agencement des molécules à l’intérieur de ces solides, et dans certains cas pour subir des transformations chimiques inusitées à l’intérieur du solide. Les cavités dans des solides à organisation tridimensionnelle (3D), typiquement des zéolites et matériaux apparentés, les espaces inter-lamellaires des solides à organisation bidimensionnelle (2D) ou les tunnels des solides du type monodimensionnel (1D), comme certaines silices mésoporeuses, les nanotubes de carbone et les argiles fibreuses, constituent des domaines nanométriques offrant la possibilité de mettre en œuvre une chimie différente de celle réalisée dans les milieux homogènes conventionnels. Ces nano-espaces sont de véritables laboratoires intra-cristallins, dans lesquels, par exemple les molécules d’eau peuvent se trouver dans un état anormal de dissociation, typiquement 1000 fois plus élevé que dans l’eau à l’état normal, ce qui entraîne une acidité très élevée dans ces environnements permettant d’induire des transformations catalytiques inattendues à la surface de ces solides. Des exemples sélectionnés d’adsorption et de transformations sélectives dans des solides nanoporeux concernent la zéolite ZSM-5 dans l’alkylation du toluène, les argiles du type smectite dans les réactions de transposition moléculaire, les silices mésoporeuses assymétriquement greffés par des fonctions organiques et les nanotubes de carbone qui peuvent encapsuler des nano-cristaux de diverse composition chimique. À propos de ce dernier type de solide à organisation nanoporeuse monodimensionnelle, on peut considérer aussi l’exemple du pigment connu sous le nom de bleu maya, fabriqué par les anciens mayas. Dans ce pigment le colorant indigo était encapsulé au niveau moléculaire dans les nanotunnels structuraux d’une argile microfibreuse nommée palygorskite. Grâce à cette « encapsulation » dans des espaces confinés la couleur bleu caractéristique a persisté pendant des siècles. C’est le résultat d’une nanotechnologie développée il y a une dizaine de siècles !

4. Les biohybrides, un nouveau type de matériau à l’interphase du monde minéral et du vivant

11La combinaison à l’échelle nanométrique de composés provenant d’espèces biologiques avec des solides inorganiques conduit à une classe de matériaux nanostructurés que l’on nomme biohybrides. Ces matériaux représentent un progrès très important dans le domaine des matériaux fonctionnels, car l’incorporation d’entités biologiques telles que des fragments cellulaires ou même des micro-espèces intégrales confère aux solides inorganiques des propriétés qui surpassent largement les systèmes utilisant exclusivement des composés synthétiques.

12La préparation de biohybrides selon les méthodes ascendantes (bottom-up) habituellement appliquées à la Nanotechnologie utilise des unités de construction bien définies dans les conditions d’élaboration de la chimie douce, ce qui évite l’altération des entités d’origine biologique, généralement fragiles et sensibles. Dans cet ordre d’idées, on peut citer quelques systèmes d’intérêt prioritaire comme l’immobilisation d’enzymes par des matrices sol-gel, l’inclusion de chlorophylle dans des silices mésoporeuses, l’encapsulation de cellules vivantes dans des matrices rigides ou flexibles et l’intercalation de biopolymères dans des solides à organisation bidimensionelle. Parmi les biohybrides, ceux résultant de l’assemblage de solides inorganiques avec des biopolymères ont reçu le nom de bionanocomposites. Certain bionanocomposites sont d’origine naturelle comme c’est le cas de l’os ou la nacre, constitués par des particules de phosphates ou de carbonates liés à l’échelle nanométrique avec des protéines comme par exemple le collagène ou la lustrine A. L’utilisation de différents solides inorganiques, comme les silices et les silicates, combinée avec le grand choix offert par les biopolymères, ouvre des possibilités illimitées pour l’ingéniérie et la synthèse de nouveaux matériaux biomimétiques. Par exemple, des silicates du type lamellaire ou fibreux combinés aux biopolymères ont été récemment utilisés pour le développement de nouveaux biohybrides élaborés sous la forme de films ou de mousses, ce qui permet de préparer des membranes pour la séparation de gaz ou des matériaux à structure cellulaire d’ultra-basse densité. De plus, ces matériaux sont biodégradables, biocompatibles et ignifuges ce qui conduit à de multiples applications dans des domaines très variés comme par exemple l’isolement acoustique et thermique. Des membranes biomimétiques basées sur ces systèmes biohybrides constituent un environnement adéquat pour l’immobilisation d’enzymes, des cellules de microalgues et de particules virales. Ces systèmes, intermédiaires entre le monde minéral et le vivant, montrent d’intéressantes propriétés de bioactivité et sont à l’étude en vue d’applications dans les domaines associés à la production de biomasse, des vaccins ou des biocapteurs très sélectifs.

Le Pr Eduardo Ruiz-Hitzky, de l’Institut des sciences des matériaux, Madrid (Espagne), a été invité par l’Assemblée des professeurs, sur la proposition du Pr Clément Sanchez

Conférences en ligne : www.college-de-france.fr

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Pour citer cet article

Référence électronique

Eduardo Ruiz-Hitzky, « La chimie dans tous ses états », La lettre du Collège de France [En ligne], 33 | octobre 2012, mis en ligne le 01 octobre 2015, consulté le 23 mars 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/2537

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Auteur

Eduardo Ruiz-Hitzky

Professeur à l’Institut des sciences des matériaux de Madrid depuis 1988 et directeur du Department of Porous Materials and Intercalation Compounds. Il obtient, en 1974, son doctorat de chimie sur les dérivés organiques de silicates tels que la sépiolite, le chrysotile et la kaolinite.

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