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La matière à différentes échelles : la matière dispersée

Dossier - Matière et matériaux, de quoi est fait le monde ?
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Les matériaux constituent l'horizon sensible de notre vie. Nous les mettons en forme, les travaillons, les utilisons. Un constat s'impose : le vivant et l'inanimé, le naturel et l'artificiel, quelles que soient leurs dimensions, sont tous composés de matière qui résulte de la combinaison d'atomes organisés en structures, hélices, ou pliages de molécules.

  
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On parle d'état dispersé de la matière lorsque les entités qui la composent ont une taille intermédiaire entre les simples molécules et les particules discernables au microscope, c'est à-dire des dimensions comprises entre 1 nanomètre et 1 micromètre environ.

L'écriture, remplacera progressivement la gravure. © Ractapopulous, Pixabay, DP

Comment observer et classer les propriétés étonnantes de ces particules ? Par quel biais la lumière nous permet-elle de les caractériser ?

Échelle de la matière. © DR

Principaux types de systèmes dispersés

Il suffit de feuilleter un livre de cuisine, comme nous ferons plus tard, pour rencontrer une multitude de préparations associant à l'intérieur d'une phase continue (liquide ou solide) des tout petits grains d'une seconde phase dispersée : une vinaigrette, une mayonnaise, un blanc d'œuf battu, etc.

Taleau 1. Différentes sortes de combinaisons entre phase dispersée et phase continue. La colonne de droite présente quelques exemples de chaque association. © DR

Le tableau 1 propose une présentation schématique des associations possibles. De tels systèmes sont caractérisés par le fait que les molécules se trouvant aux interfaces entre ces phases sont en nombre significatif par rapport à celles intégrées au volume de ces phases : elles contribuent dès lors de façon importante à l'énergie totale du système. La stabilité des phases dépendra des propriétés physico-chimiques de ces interfaces.

Les colloïdes

Certaines substances, telles la colle ou la gélatine, forment avec l'eau de fausses solutions qui sont en réalité des suspensions de particules, constituées de petits objets moléculaires en suspension dans un liquide et animées d'un mouvement brownien : les colloïdes. Le fondateur de la science moderne des colloïdes (du grec « colle ») est le chimiste écossais Thomas Graham (1805-1869), précurseur des techniques de dialyse moderne, qui parvint à les étudier à l'aide d'une membrane semi-perméable poreuse.

Les colloïdes, à l'interface de la physique, la chimie et la biologie, occupent aussi une place intermédiaire entre des régimes microscopique et macroscopique (Fig. 2). Les propriétés chimiques interfaciales y sont prédominantes.

Fig. 2 (a) : image au microscope électronique d’un amas colloïdal d’or, composé de particules individuelles d’une dizaine de nanomètres. Sa structure est semblable à elle-même à différents grossissements, comme le suggère l’image grossie (b) d’une partie de l’agrégat. Il s’agit d’une caractéristique de son côté fractal non compact. © DR

De tels agrégats, comme montrés ci-dessus (Fig. 2), sont responsables de la couleur que l'on retrouve dans le vase de Lycurgus ou dans les vitraux du Moyen Âge. Le physicien Michael Faraday s'intéressa en 1850 au fait que la couleur de ces particules diffère de celle de l'or massif : en ce sens, c'est un pionnier des nanosciences.

Historique succinct des préparations colloïdales

Si l'étude scientifique des colloïdes ne date que du XIXe siècle, en relation avec les colles, leur préparation remonte à plusieurs milliers d'années. Ainsi, dans l'encre de Chine, inventée... par les Égyptiens il y a 4.000 ans, de petites particules de charbon de bois ou de noir de fumée restent en suspension dans l'eau lorsque de la gomme arabique, un polymère naturel (polysaccharide) qui empêche que les grains ne se soudent entre eux, est ajoutée. Cette invention sera à l'origine de l'écriture, qui va remplacer progressivement la gravure.

Une application considérable des colloïdes est le savon, dont la préparation il y a 3.000 ans en Syrie résultait d'une réaction à partir d'huile d'olive et de soude. Cette réaction de saponification produit un sel d'acide gras, constitué d'une tête acide hydrophile et d'un corps aliphatique hydrophobe. C'est cette substance qui s'étale à la surface libre d'une couche d'eau, comme dans une célèbre expérience de Franklin. Dans les savons, ces molécules vont se placer à l'interface entre une graisse et de l'eau, entraînant la mise en solution des globules de graisse.

La diffusion de la lumière : un diagnostic… de taille !

La lumière est un outil précieux pour caractériser les objets dispersés. Rappelons-en la nature : la lumière peut être décrite comme une onde, plus précisément une onde électromagnétique, dont la longueur d'onde est comprise entre 380 nm et 750 nm, limites du spectre visible. La lumière blanche du Soleil est une combinaison d'un grand nombre de radiations de différentes longueurs d'ondes. À des longueurs d'onde supérieures à celle du spectre visible, on trouve les rayons infrarouges, les microondes et les ondes radio, tandis que les rayons X ont des longueurs d'onde plus courtes.

La lumière renseigne sur la composition chimique du Soleil, et c'est en général un puissant outil d'analyse pour les astrophysiciens. En effet, chaque raie de lumière monochromatique (une seule longueur d'onde) est caractéristique d'un élément sous forme d'atome ou d'ion à la périphérie des étoiles. Une onde lumineuse présente des fréquences allant de 400 à 800.000 milliards d'oscillations par seconde : elle peut donc être utilisée pour servir de repère de longueur comme de temps.

Fig. 3. La diffusion de la lumière traduit le fait qu’un faisceau incident de lumière parallèle est renvoyé en partie dans d’autres directions de l’espace lorsqu’il rencontre une suspension de particules. La figure (a) correspond au cas où leur taille est inférieure au dixième de la longueur d’onde de la radiation incidente : la diffusion est beaucoup plus efficace dans le bleu que dans le rouge. L’intensité de la lumière diffusée varie de fait comme l’inverse de la puissance quatrième de la longueur d’onde (b). © DR

Lors de l'interaction entre une onde électromagnétique et une particule (ou un édifice moléculaire), il apparaît un phénomène de diffusion. Dans un modèle classique, le champ électrique oscillant de l'onde électromagnétique fait osciller les électrons des molécules. Ces dernières se comportent alors comme des dipôles oscillants et rayonnent à leur tour dans toutes les directions sans variation d'énergie, c'est-à-dire à la même longueur d'onde. Puisqu'il n'y a pas de variation d'énergie, on parle de diffusion élastique.

La lumière fournit un diagnostic sur la taille des particules. Ainsi, le brouillard, qui diffuse la lumière des phares au point d'empêcher toute circulation, en constitue un exemple redoutable. La lumière est renvoyée un grand nombre de fois par les gouttelettes d'eau, et ce dans toutes les directions, de sorte que la lumière transmise directement est négligeable.

Les techniques de diffusion de la lumière sont couramment utilisées pour une étude statistique de matériaux hétérogènes transparents. Pour des particules bien plus petites que la longueur d'onde de la lumière, le milieu reste transparent. Ces particules sont par ailleurs en suspension. À l'inverse, les plus grosses particules sont visibles à l'œil et ne demeurent généralement pas suspendues, coulant ou surnageant. Lorsque les particules se situent entre ces deux limites de taille, elles diffusent un grand nombre de fois la lumière incidente.
 
Soyons plus précis. Lorsque la taille des particules est inférieure à environ un dixième de la longueur d'onde de la radiation incidente, la diffusion est dite de Rayleigh, du nom du physicien qui la décrivit dans les années 1870. La diffusion ne provient pas des grains microscopiques individuels, mais de fluctuations spontanées de la densité ou de la composition du matériau. Le volume sur lequel il faut évaluer l'importance de ces fluctuations s'étend sur la longueur d'onde de la lumière, notre dimension de référence. Les fluctuations sont plus d'autant plus importantes que la longueur d'onde considérée est petite. Ainsi, la lumière bleue de courte longueur d'onde est plus efficacement diffusée que la lumière rouge : le rapport des intensités diffusées à 400 nm (le violet) et 700 nm (le rouge) est proche de 10. C'est ainsi que l'on explique en particulier la couleur bleue du ciel, les reflets bleutés de traces dans la neige, la couleur bleutée de la fumée de cigarette ou de l'iris de certains yeux, etc.

Si la taille des particules dépasse le dixième de la longueur d'onde, la théorie de Rayleigh ne s'applique plus et la nature individuelle des objets devient essentielle : la diffusion de Mie prend le relais.

Contrairement à la diffusion Rayleigh, la diffusion de Mie dépend peu de la longueur d'onde, de sorte que la lumière diffusée présente une couleur sensiblement identique à celle de la lumière incidente. C'est pourquoi en particulier les nuages et les brouillards sont blancs, car ils sont constitués de gouttelettes d'eau dépassant largement le dixième de la longueur d'onde. Pour la même raison, le « blanc » d'œuf, qui est naturellement translucide et incolore, devient blanc à la cuisson en raison de la formation d'agrégats moléculaires de taille bien supérieure à la longueur d'onde des radiations visibles. Les cheveux blancs et les plumes blanches des oiseaux constituent d'autres exemples de ce phénomène.

- Une expérience avec de l’eau et du lait en poudre

Le lait est un exemple d'émulsion (ce terme vient du latin emulgere, qui fait référence à la traite, et indirectement au lait). Les particules de lipide du lait, qui diffusent la lumière très fortement, sont responsables de son aspect blanc. Vous pouvez étudier cette diffusion en ajoutant du lait en poudre à de l'eau, toujours en petite quantité afin que le milieu reste translucide.

Dans une pièce sombre, faites passer au travers du récipient le faisceau étroit d'un petit laser de poche : la lumière forme à la sortie un faisceau de large ouverture angulaire. Placez un écran à quelques dizaines de centimètres et observez la tache de lumière : elle est animée de fluctuations, qui traduisent le mouvement continu des particules du lait. Ce mouvement est, comme nous l'avons vu, dû à l'agitation thermique qui fait que les particules se maintiennent en suspension au lieu de sédimenter.

Par ailleurs, l'ouverture du faisceau diffusé à la sortie de la cuve est d'autant plus grande que la taille des particules de lait en suspension est importante.

Si vous faites l'observation avec un pinceau de lumière blanche, vous constaterez que la lumière en sortie est rougeâtre alors que celle diffusée sur le côté est au contraire bleutée, par suite de la diffusion Rayleigh. Ces deux teintes complémentaires, dues à une décomposition de la lumière, se retrouvent respectivement dans la lumière solaire au couchant et dans le ciel bleu.



Fig. 4 - Dans cette expérience, la lumière venant de la gauche est diffusée par une solution contenant de fines particules. La lumière transmise en ligne droite est rougeâtre, alors que celle diffusée transversalement est bleutée : c'est un effet de la diffusion Rayleigh © Bernard Valeur