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Événements

Fête de la Science au Collège de France

Céline Rosticher et Tamar Saison
p. 17-19

Résumé

 « Faites de la science ! » était la première manifestation placée sous l’égide de l’Association CHADOC (Chercheurs associés et doctorants du Collège de France), qui a été officiellement enregistrée le 29septembre dernier.

Événement organisé du 19 au 21 novembre 2009 par Tamar Saison et Céline Rosticher, laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris (CMCP) au Collège de France, avec l’aide des jeunes chercheurs du laboratoire et le soutien financier de la Fondation Hugot du Collège de France.

Remerciements à Saint-Gobain, au laboratoire Photons et Matière, à l’association Les atomes crochus et à l’université Strathclyde de Glasgow.

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Texte intégral

© P. Imbert, Collège de France

Céline Rotischer, Tamar Saison

© P. Imbert, Collège de France

1À l’occasion de la semaine de la Fête de la science, les doctorants et post-doctorants du laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris ont proposé un voyage au cœur de la chimie et de ses innovations. Ils ont mis en place huit ateliers qui constituaient un parcours organisé autour de deux thèmes développés par le professeur Jacques Livage dans ses cours au Collège de France : « couleur et lumière » et « chimie douce ». Pour illustrer les applications pratiques de la recherche dans ces domaines, un partenariat avec Saint-Gobain a permis de présenter quelques applications verrières.

Couleur et lumière

D’où vient la couleur ?

2La couleur n’est pas une propriété intrinsèque de l’objet : elle résulte de l’interaction entre la lumière et l’objet. Cette interaction peut se produire selon deux modalités :

-sans échange d’énergie : l’objet ne fait que séparer la lumière en une partie réfléchie et une autre transmise. On parle alors de couleurs « physiques » ;

-avec échange d’énergie : l’objet absorbe une partie de la lumière, et ce que nous voyons est la couleur complémentaire. Les couleurs résultantes sont dites « chimiques ».

3La couleur physique était illustrée par l’observation des ailes de papillons, porteuses de cristaux photoniques qui causent des variations de couleur en fonction de l’angle d’incidence des rayons lumineux. Pour la couleur chimique, à partir du colorant organique extrait du chou rouge, l’ajout de composants acides ou basiques permettait d’explorer les variations structurales qui déterminent la couleur de la solution.

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Photoluminescence : des nanoparticules qui émettent de la lumière visible, comment ça marche ?

4Quand on illumine des nanoparticules avec de la lumière ultraviolette, elles sont excitées. En retournant à leur état stable, elles émettent une lumière visible. Cette propriété est appelée photoluminescence. La couleur de la lumière émise dépend de la taille des particules. Plus la taille des particules est grande, plus l’écart entre les niveaux d’énergie est petit : les particules de 2 nm émettront une lumière bleue alors que celle de 5 nm une lumière rouge de plus faible énergie. L’ajustement de la taille des particules permet de choisir la couleur émise. Ces nanoparticules appelées quantum dots peuvent être utilisées comme marqueurs biologiques pour suivre, par exemple, le parcours de protéines dans le sang ou encore comme marqueurs sur les billets de banque, pour reconnaître la contrefaçon.

Chimiluminescence : comment créer de la lumière à partir d’une réaction chimique ?

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5Lors de certaines réactions entre deux molécules, une nouvelle molécule dite « excitée » est obtenue. Cette molécule dans un état instable va retourner à son état dit « fondamental » en émettant une lumière qui peut être visible. On parle de chimiluminescence puisque la lumière émise provient d’une réaction chimique. Par exemple, le luminol et l’eau oxygénée réagissent en créant une molécule qui, en se désexcitant, émet une intense lumière bleue. Cette réaction peut être accélérée en présence d’un catalyseur tel qu’un sel de fer. C’est pourquoi le couple luminol/eau oxygénée, parce qu’il réagit au fer présent dans le sang, est utilisé pour détecter rapidement les traces de sang sur les scènes de crime. Un principe analogue basé sur la chimiluminescence est utilisé dans les bracelets lumineux ou les bâtons de sécurité routière : ils contiennent deux substances isolées dans des ampoules qui, en se cassant, permettent le mélange des deux produits dont la réaction s’accompagne d’une émission lumineuse.

Chimie douce

Sol-gel coloré : comment créer du « verre coloré » à basse température ?

6Le verre est traditionnellement élaboré à partir de silice fondue au dessus de 1000° C. Cependant, en s’inspirant de la nature, des chercheurs ont développé une voie de synthèse pour concevoir du verre à basse température. Cela permet non seulement de consommer moins d’énergie mais aussi de créer toute une gamme de matériaux hybrides inorganiques/organiques impossibles à obtenir selon le processus standard de fabrication du verre puisque, sous air, la matière organique brûle en général dès 400° C. Cette synthèse, appelée « sol-gel » comprend deux étapes : l’hydrolyse et la condensation. En présence d’eau, les précurseurs de silice Si(OR)4 s’hydrolysent pour former des espèces Si(OH)4 réactives qui, à travers des réactions successives de polycondensation, conduisent à la formation de gels. Les réactions sol-gel mises en œuvre en présence de colorants organiques conduisent à la formation de verres hybrides. Les applications de ces matériaux sont nombreuses : verres colorés (et lasers à colorants solides), revêtements fonctionnels sur les vitres et pour la micro-optique et micro-électronique, capteurs et bio-capteurs, etc.

Jardins minéraux : comment faire pousser des jardins chimiques ?

7La chimie permet de faire pousser de fascinantes structures, étonnamment semblables au vivant. La « croissance » de ces minéraux s’explique par deux phénomènes chimiques : l’osmose et la chimie sol-gel. Dans ce dernier cas, l’insertion d’une solution de cation métallique (fer, cuivre, cobalt, etc.) dans une solution de silicate Si(OH)4 entraîne localement une modification de pH. Ces groupements Si(OH)4 très sensibles au pH se condensent alors autour du cation qui se retrouve bloqué dans un réseau de silice. De ce fait, on peut contrôler la croissance de structures minérales ressemblant à des arbres. De plus, suivant le cation utilisé, ces plantes minérales peuvent avoir des couleurs différentes : orange pour le fer, bleu pour le cuivre.

Applications verrières

Feuilles de lotus : comment créer des vitres super-hydrophobes ?

8Essayez de mouiller une feuille de lotus : vous n’y arriverez pas ! En effet, la feuille de lotus est une surface super-hydrophobe : l’eau qu’on y dépose prend la forme de petites gouttelettes qui roulent à la surface sans la pénétrer. Cette super-hydrophobie est due principalement à la texture de la feuille de lotus : sa surface est composée de plots micrométriques recouverts de cheveux nanométriques. À cause de cette structure particulière, l’eau reste au sommet des plots sans jamais toucher la surface interne, comme sur un tapis de fakir. Les techniques de nano-impression permettent de copier la texture de cette surface. Dans un premier temps, on fabrique un moule en polymère à partir d’une feuille de lotus. Ce moule est ensuite utilisé comme un tampon pour imprimer des verres recouverts d’une couche sol-gel. Lors du chauffage de la couche sol-gel, la condensation produite à l’intérieur du moule permet d’obtenir un verre texturé et donc super-hydrophobe. Les applications concernent par exemple les pare-brises des voitures : ces verres permettent une évacuation rapide de l’eau sans essuie-glaces.

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Photocatalyse : comment dépolluer des eaux ou nettoyer des vitres par simple action du soleil ?

9L’oxyde de titane (TiO2) est le photocatalyseur le plus utilisé aujourd’hui. C’est un semi-conducteur capable d’absorber des rayonnements ultraviolets. Cette absorption énergétique permet de générer une paire électron/trou. Ces électrons et ces trous migrent à la surface du photocatalyseur et donnent lieu à des réactions de dégradation des molécules organiques adsorbées. Il suffit donc d’illuminer TiO2 aux ultraviolets pour dégrader toutes sortes de molécules organiques en CO2 et H2O. Ce principe est utilisé pour dépolluer l’eau ou l’air sous l’action soit d’une lampe UV, soit de la lumière du soleil. C’est sur ce principe que sont développées les vitres auto-nettoyantes Bioclean®. De plus, la présence de TiO2 rend la vitre super-hydrophile sous l’action des UV : la pluie s’y dépose sous forme de film et emporte les polluants résiduels.

Vitres intelligentes : comment des vitres peuvent-elles changer de couleur ou conserver la chaleur ?

10Trois vitres issues de travaux de recherche et commercialisées par Saint-Gobain ont été présentées.

11La vitre électrochrome Lightuning® est revêtue d’une couche active composée d’oxyde de tungstène WO3 transparent. Sous l’effet d’un courant électrique, l’injection de protons H+ dans cette couche transforme l’oxyde de tungstène en bronze ce qui entraîne le changement de l’état d’oxydation du tungstène de W6+ à W5+, un composé qui génère une forte coloration bleue. Cet effet est réversible, et en outre, en faisant varier le courant électrique, on peut obtenir toutes les couleurs intermédiaires entre le transparent et le bleu. Cette vitre est déjà utilisée dans des voitures et des bâtiments, elle permet de contrôler la luminosité et l’entrée de la chaleur.

12La vitre Privalite® est composée d’un film de cristaux liquides inséré entre deux plaques de verre, chacune revêtue d’une couche transparente conductrice et reliée à une alimentation électrique par le biais de deux électrodes. Lorsqu’un champ électrique est établi entre les deux couches conductrices, les cristaux liquides s’orientent et s’alignent et le vitrage devient transparent. Lorsque le verre n’est soumis à aucune tension électrique, les cristaux liquides reprennent des positions aléatoires et diffusent la lumière dans toutes les directions, rendant le verre opaque. Le temps de commutation entre l’état opaque et transparent de la vitre est de l’ordre de la milliseconde. Ces vitres sont utilisées par exemple comme panneaux d’isolation optiques commutables dans des salles de réunion.

13La vitre Planitherm® est recouverte d’une fine couche nanométrique d’argent qui permet de réfléchir les rayonnements infrarouges et ainsi de conserver la chaleur à l’intérieur de la maison. Cela permet de réduire la consommation de chauffage, donc les émissions de CO2.

Dans le cadre du partenariat établi en 2006 entre le Collège de France et la mairie d’Aubervilliers, neuf classes du lycée Le Corbusier d’Aubervilliers, avec leurs professeurs, ont été accueillies par les jeunes chimistes du Collège de France qui se sont efforcés de leur transmettre leur savoir et de leur faire partager leur passion pour la recherche.

Dans le cadre du partenariat établi en 2006 entre le Collège de France et la mairie d’Aubervilliers, neuf classes du lycée Le Corbusier d’Aubervilliers, avec leurs professeurs, ont été accueillies par les jeunes chimistes du Collège de France qui se sont efforcés de leur transmettre leur savoir et de leur faire partager leur passion pour la recherche.

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Titre Dans le cadre du partenariat établi en 2006 entre le Collège de France et la mairie d’Aubervilliers, neuf classes du lycée Le Corbusier d’Aubervilliers, avec leurs professeurs, ont été accueillies par les jeunes chimistes du Collège de France qui se sont efforcés de leur transmettre leur savoir et de leur faire partager leur passion pour la recherche.
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Pour citer cet article

Référence papier

Lettre du Collège de France n° 27, Paris, Collège de France, p. 17-19, ISSN 1628-2329.

Référence électronique

Céline Rosticher et Tamar Saison, « Fête de la Science au Collège de France », La lettre du Collège de France [En ligne], 27 | décembre 2009, mis en ligne le 24 juin 2010, consulté le 23 septembre 2017. URL : http://lettre-cdf.revues.org/353

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Auteurs

Céline Rosticher

Laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris (CMCP), Collège de France

Tamar Saison

Laboratoire de Chimie de la matière condensée de Paris (CMCP), Collège de France

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Droits d’auteur

© Collège de France

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