Étudier la matière molle pour comprendre la matière dure

Publié le 13 Décembre 2009

Tiens, et si on parlait de sciences pour une fois ?

 

Cette semaine, j’ai assisté à une présentation du physicien Peter Schall, qui travaille à l’université d’Amsterdam. Il s’intéresse aux cristaux colloïdaux et c’est la première fois qu’on m’expose aussi clairement les enjeux de ce domaine, tellement que ça me donne envie de le réexpliquer.

 

C’est quoi un colloïde ?

 

Un colloïde, c’est l’association forcée de deux phases qui ne se mélangent pas. L’une de ces phases, généralement un liquide, est continue tandis que l’autre est dispersée dans la première sous forme d’objets (bulles de gaz, gouttelettes liquides ou particules solides) dont la taille caractéristique va du nanomètre au micron. Par exemple, le lait et la peinture sont des solutions colloïdales, de graisses dans un cas, de pigments dans l’autre.Le mot colloïde est utilisé aussi bien pour désigner le mélange que la seule pahse dispersée.

 

Évidemment, ces solutions sont des sujets intéressants en eux-mêmes. En effet, elles sont instables par nature : au moindre changement de température, de concentration en sel, d’acidité … les deux phases risquent de se séparer. D’un point de vue pratique, on a bien envie de s’assurer que lait ou l’encre restent bien homogènes. Voilà une première bonne raison de s’intéresser aux colloïdes et à leur stabilité.

 

Maintenant, prenons une solution et laissons le solvant s’évaporer. La phase dispersée (disons qu’il s’agit de petites billes solides) se concentre et la solution devient de plus en plus épaisse, jusqu’à atteindre une texture gélatineuse. Les billes se rapprochent les unes des autres, et la question est alors de savoir comment elles vont s’agencer les unes par rapport aux autres et surtout si elles vont former un cristal, c’est-à-dire un empilement régulier dans lequel le même motif se reproduit à l’infini.

 

Du grain de sable au microprocesseur

 

Pourquoi s’intéresser à la cristallisation ? Si vous me lisez, c’est que vous utilisez un ordinateur, bourré de silicium. Or le silicium, s’il est très abondant sur Terre, n’y existe pas à l’état pur. On le trouve essentiellement sous la forme d’oxyde, comme SiO2 qui est le composant majoritaire du sable. Il faut séparer le silicium des autres éléments et le cristalliser à l’état pur pour profiter de ses capacités de semi-conducteur. On obtient alors des surfaces ultra-lisses, comme la pastille ci-dessous, sur lesquels on grave ensuite les circuits des microprocesseurs et qui doivent être vierges de défauts.

 

Wafer

 

 

Les colloïdes, une maquette pour les atomes

 

Simplement, voir les atomes un par un, surtout à la vitesse à laquelle le cristal grandit, c’est difficile. Les microscopes optiques sont limités en résolution : ils ne permettent pas d’observer des objets plus petits que la longueur d’ondes de la lumière. D’où l’idée des physiciens de faire une analogie entre des atomes et d’autre objets plus gros. Pourquoi pas des oranges alors ? Les oranges sont quasiment sphériques, on peut les empiler en formant de beaux motifs réguliers. Certes, mais elles ont tendance à rester à la place où vous les avez posées. Tandis que les colloïdes, eux, sont comme les atomes suffisamment petits pour être soumis à l’agitation thermique. La structure de leur empilement évolue avec le temps et que des zones cristallines peuvent croître, pour atteindre une taille de l’ordre du millimètre voire du centimètre. Et en même temps, il sont suffisamment grands pour qu’on les voie au microscope. D’une certaine façon, un cristal colloïdal est une maquette de cristal atomique : on reconstruit au laboratoire le système à étudier à une échelle à laquelle on peut l’observer. Ici, la maquette est juste mille fois plus grande que l’original.

 

Les cristaux colloïdaux, c’est beau …

 

L'opale est un exemple de cristal colloïdal naturel. Vouloir percer le mystère de ses belles couleurs est une raison tout à fait légitime de se mettre à la physique ...

 

Opale

Rédigé par Algue

Publié dans #physique

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Tazzio 27/12/2009 12:37


Premier blog ... mais je reconnais les articles très intéressants !
Des retours constructifs sur l'actualité et de la physique : ça me plaît :)