Rechercher la composition de la fumée résultant de la combustion de matières organiques, puis la composition de la suie
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| TS spé Thème Matériaux/Nouveaux matériaux Nanoparticules de carbone / Microcapsules Mots-clés étudiés : Nanotubes, Nanoparticules, Matériaux nanostructurés Partie 1 : Nanoparticules de carbone. Objectif : La fumée issue de la combustion de matières organiques est constituée de « nanoparticules » de carbone. Il est possible de rendre une surface super-hydrophobe avec cette fumée.  Document : Mouillabilité d’une surface.
  Manipulation :
Exploitation : 1. À l’aide d’un logiciel approprié (ici Photofiltre), mesurer le plus précisément l’angle α. (Voir fiche méthode ci-jointe) 2. La surface est-elle alors hydrophile, hydrophobe ou super-hydrophobe ? 3. Rechercher la composition de la fumée résultant de la combustion de matières organiques, puis la composition de la suie. 4. Quelle est la matière organique qui génère de la suie ? 5. Pourquoi peut-on dire que la surface de la plaque de verre est nanostructurée en surface ? 6. Comment savoir si le traitement de surface réalisé est résistant ? Le vérifier et expliquer le résultat observé. Partie 2 : Fabrication de microcapsules. Objectif : Synthétiser des coacervats (macromolécules s’associant en milieu aqueux, pour former au niveau microscopique des gouttelettes microscopiques assimilables à des microcapsules). L  es coacervats : Ce sont des gouttelettes limitées par une enveloppe, que l’on peut obtenir en associant deux polymères chargés électriquement. On utilise couramment la gélatine (chargée (+)) et la gomme arabique (chargée (-)). Tout comme les cellules vivantes, les coacervats peuvent maintenir un environnement interne différent de l’environnement externe, et absorber sélectivement certaines substances dans leur environnement. Synthèse des microcapsules : 1. Préparation de la solution de gélatine à 1% - Découper une demi-feuille de gélatine en petits morceaux (soit 1g environ). - Les dissoudre dans 100 mL d’eau distillée, en chauffer l’ensemble au bain-marie. - Éviter toute ébullition. Mélanger au fur et à mesure pour favoriser la dissolution. - Laisser ensuite refroidir. 2. Préparation de la solution de gomme arabique à 1% - Dissoudre 1g de gomme arabique dans un second bécher contenant 100 mL d’eau distillée. Procéder comme pour la gélatine. 3. Obtention des microcapsules - Mélanger dans un tube à essai 2/3 de solution de gélatine et 1/3 de solution de gomme arabique. - Verser une goutte d’acide chlorhydrique dilué dans le tube et mélanger. Un trouble doit apparaître. - Si ce n’est pas le cas, ajouter goutte à goutte l’acide chlorhydrique dilué, sans former de précipité visible. 4. Préparation de la solution à observer au microscope - Dans un autre tube à essai, verser 1 mL de la suspension obtenue précédemment et environ 10 mL d’eau distillée. - Boucher le tube et agiter. - Prélever une goutte de la solution et la placer sur une lame de microscope. - Déposer avec précaution une goutte de bleu de méthylène sur la goutte placée sur la lame. - Recouvrir d’une lamelle. L’observation se fait ensuite au microscope. Rechercher une zone où les coacervats ne sont pas trop « les uns sur les autres ». Exploitation : 1. Schématiser l’observation au microscope. 2. Faire une recherche, et préciser comment sont obtenues la gélatine et la gomme arabique. Justifier alors que ces espèces ont des masses moléculaires élevées. 3. Quel est le rôle du bleu de méthylène comme colorant ? 4. À l’aide des fonctionnalités de la webcam associée au microscope et du logiciel d’exploitation de cette dernière, déterminer la taille de quelques-unes des microcapsules observées. Les capsules obtenues sont-elles de taille micrométrique ou nanométrique ? Partie 3 : Le carbone à l’échelle nanométrique (Étude documentaire). Objectif : connaître les différentes structures du carbone, leurs propriétés, connaître les applications qu’elles permettent d’envisager. Document 1 : Le graphène Le graphène est un cristal bidimensionnel (monoplan) de carbone dont l'empilement constitue le graphite. Il a été isolé en 2004 par Andre Geim, du département de physique de l'université de Manchester, qui a reçu pour cette découverte le prix Nobel de physique en 2010 avec Konstantin Novoselov. Dans le graphite, la cohésion des couches de graphène entre elles est assurée par des interactions de Wan der Waals.   graphite graphène Document 2 : les nanotubes de carbone (source internet : technosciences.net) Les nanotubes de carbone sont une forme de structure cristalline du carbone proche des fullerènes. Ils sont un des premiers produits industriels du domaine des nanotechnologies. Les fullerènes ont été découverts en 1985 par Harold Kroto, Robert Curl (Le logiciel cURL est une interface en ligne de commande destinée à récupérer le contenu d'une ressource accessible par un réseau informatique. La ressource est désignée à l'aide d'une URL et doit être d'un type supporté par le logiciel (voir...) et Richard Smalley (ils ont obtenu collectivement le prix Nobel de chimie (La liste ci-dessous comprend tous les lauréats du prix Nobel de chimie depuis 1901 jusqu'à nos jours.) en 1996 pour leurs travaux sur les fullerènes). En 1990, Wolfgang Kraetschmer et Don Huffman découvrent un procédé permettant de synthétiser des quantités importantes de fullerènes, permettant à la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) de travailler sur des échantillons plus significatifs. Les nanotubes eux-mêmes ont été découverts en 1991 par Sumio Iijima, dans un sous-produit de fullerènes (un nanotube correspond à un seul feuillet de graphène est enroulé sur lui-même, comme une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux supérieurs (spermaphytes, ptéridophytes et bryophytes). Elle est insérée sur les tiges des plantes au niveau des nœuds. À l'aisselle...) de papier). Les nanotubes de carbone suscitent un énorme intérêt dans le monde (Le mot monde peut désigner :) de la recherche autant fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) qu'appliquée car leurs propriétés sont exceptionnelles à bien des égards. D'un point (Graphie) de vue mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons,...), ils présentent à la fois une excellente rigidité ,comparable à celle de l'acier (L'acier est un alliage à base de fer additionné d'un faible pourcentage de carbone (de 0,008 à environ 2,14 % en masse). La teneur en carbone a une influence...), tout en étant extrêmement légers (6 fois plus légers et 1000 fois plus résistants). Des points de vue électrique et optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.), les nanotubes monofeuillets ont la particularité tout à fait exceptionnelle de pouvoir être soit conducteur soit semi- conducteurs en fonction de leur géométrie (Selon la définition donnée par Euclide dans ses Éléments, la géométrie serait la science mathématique des figures dans le plan et des volumes (les corps, au sens classique) dans l’espace. Cette acceptation, valable durant l'Antiquité et...) (diamètre du tube et angle d'enroulement de la feuille de graphène). Applications envisagées : renforcement des matériaux composites, conducteurs ou semi-conducteur en électronique, nanobagues biocompatibles .   Fullerène Nanotube de carbone (diamètre entre 0.6 et 1.8 nm) Document 3 : Molécules miracles pour écrans tactiles (source : courrier international 6/06/2012) Grâce aux nouveaux écrans tactiles des derniers appareils “intelligents”, il n’a jamais été aussi facile de naviguer sur le web. Toucher, c’est rapide, c’est drôle, c’est l’avenir ! Ces technologies pourraient malheureusement être condamnées à court terme. Les écrans tactiles de nos gadgets nomades, ainsi que tous les écrans à cristaux liquides utilisent en effet les propriétés particulières d’un matériau unique, un alliage de métaux dont les sources pourraient être épuisées d’ici dix ans. Et nos écrans ne sont pas les seuls menacés. Les cellules photovoltaïques et les LED à faible consommation – deux piliers de la lutte contre les émissions de carbone – pourraient également souffrir de cette pénurie. Si vous ne saviez rien de tout cela, vous ne connaissez probablement pas non plus le nom de ce matériau. Il s’agit d’un mélange de deux oxydes métalliques appelé oxyde d’indium-étain (ITO). Il est essentiellement constitué d’indium, une terre rare, un métal aux propriétés précieuses, sous-produit de l’industrie minière du plomb et du zinc. Un produit cher, difficile à se procurer. Et, une fois en usine, l’alliage devient un matériau extrêmement difficile à travailler, instable et ne pardonnant pas la moindre erreur de fabrication. Ses qualités nous font toutefois oublier ses défauts. L’ITO est en effet l’un des rares matériaux à la fois conducteur d’électricité et transparent. Une propriété idéale pour les écrans tactiles. Car votre nouveau gadget de poche utilise la conductivité de vos doigts pour éliminer tout besoin de stylet. En touchant l’écran, vous changez la capacité électrique de la zone sous votre doigt – un changement qu’une simple couche d’ITO suffit à détecter.[……] Alors, existe-t-il un matériau autre satisfaisant à tous les critères ? Oui, affirme Mark Hersam de la Northwestern University : les nanomatériaux à base de carbone. Le carbone est un caméléon chimique. Dans certains cas, il est le matériau le plus opaque que nous connaissions, mais, réduit à l’état de structure nanométrique, il devient transparent. En juin 2010, une équipe de chercheurs sous la direction de Jong-Hyun Ahn et Byunh-Hee Hong, de l’université Sungkyunkwan de Suwon, en Corée du Sud, a mis au point un film composé de quatre couches de graphène adossées à un support plastique. Le graphène, matériau étonnant qui a valu le prix Nobel de physique 2010 à ses découvreurs [Andre Geim et Konstantin Novoselov], est composé de feuilles de graphite de l’épaisseur d’un atome. L’association graphène-plastique laisse passer 90 % de la lumière visible et présente une conductivité presque aussi élevée que l’ITO de la meilleure qualité. [….] Exploitation : 1. Rappeler comment est constituée une liaison covalente. Rappeler ce qu’est une interaction de Van der Waals. Comparer l’efficacité des interactions de Van Der Waals et des liaisons covalentes dans la cohésion des solides. 2. La mine de crayon est formée de carbone graphite. Elle s’effrite facilement et laisse ainsi une trace sur le papier. Expliquer pourquoi. 3. Sous quelle autre forme le carbone existe-il à l’état naturel ? Ses propriétés sont-elles comparables au graphite ? Quelle est sa structure ? 4. Suivant quelle figure géométrique sont disposés les carbones dans le graphène, nanotube ou fullerène ? 5. Quel nombre de liaisons peut former un atome de carbone pour respecter la règle de l’octet ? Cette règle est-elle respectée dans les structures graphène, nanotube ou fullerène ? 6. En déduire une interprétation de la conductivité de certains nanotubes. Quelles caractéristiques des nanotubes fait varier leur conductivité ? Dans quelles applications envisage-ton d’utiliser cette propriété ? 7. Quelles sont les propriétés intéressantes des nanotubes de carbones du point de vu mécanique ? Quelles applications peut-on envisager ? 8. Comment la position d’un doigt est-elle détectée sur un écran tactile ? 9. Quelles sont les propriétés du graphène qui lui permettrait de remplacer l’ITO ? 10. Expliquer les raisons qui poussent les chercheurs à chercher des matériaux pour remplacer les oxydes métalliques dans les écrans tactiles. Partie 4 : Surfaces nanostructurées, hydrophiles et hydrophobes. (Étude documentaire). Objectif : Monter que la présence d’une surface nanostructurée peut modifier les propriétés des matériaux. Document 1 : Les verres autonettoyants (source internet : l’univers du verre) L  e verre autonettoyant est un verre plat ordinaire sur lequel on dépose lors de sa fabrication une couche photocatalytique spéciale contenant du dioxyde de titane (TiO2) (nanoparticules) sur sa face extérieure. La couche sous l’effet des rayons ultraviolets du soleil provoque la dégradation progressivement des salissures ; c'est l'effet photocatalytique. En d'autres mots, l'effet photocatalytique consiste pour la couche à absorber les rayons ultraviolets entraînant une réaction chimique à sur la surface du verre qui détruit les salissures (matière organique) et les détache du verre.Ce type de verre a de plus des propriétés hydrophiliques qui font que l'eau tombant sur la plaque de verre, lave le verre, au lieu de le laisser sale comme un verre ordinaire. En effet, au lieu de tomber en gouttes sur le verre, l'eau constitue progressivement un film qui, gravité oblige, finit par glisser le long du verre en le lavant. Pour mémoire, sur un verre traditionnel, les gouttes d'eau, surtout s'il y en a peu, restent sur le verre et s'évaporent ainsi, laissant en général des traces. Au final, la combinaison de ces deux effets, laisse le verre à couche plus propres qu'un verre ordinaire pour une période significativement longue, spécialement si les conditions sont favorables (ensoleillement et pluie). A noter que la couche intérieure n'étant pas traitée doit être normalement lavée. Document 2 : Les nanobiotechnologies (source internet : dossier sagasciences/cnrs.fr) Pour créer de nouveaux dispositifs nanométriques, les chercheurs s’inspirent de la nature.[…..] Un des développements majeurs par biomimétisme est celui des revêtements de surface. Ainsi, le lotus sert de modèle pour l’écoulement des fluides. Comme les feuilles de tulipes ou de rosiers, celles de lotus ne sont jamais mouillées : l’eau y perle puis s’écoule. Pourquoi ? Leur surface, nanostructurée, est recouverte de minuscules cristaux de cire, qui la rendent "super-hydrophobe". Ces pics empêchent l’étalement des gouttes, qui emportent avec elles les poussières bloquées aux sommets des aspérités. Entre autres applications envisagées : les peintures anti-salissure, les tissus anti-taches ou les supports anti-bactériens. Intégrée dans des micro-tuyaux, cette astuce réduit les frictions sur les parois, qui, à très petite échelle bloquent le glissement du liquide (salive ou sang). [….] Document 3 :  Exploitation : 1. Schématiser au niveau macroscopique une goutte d’eau sur une surface très hydrophile puis sur une surface très hydrophobe. 2. Expliquer le terme photocatalyse. 3. Au cours de la réaction photocatalysée, il y a formation de dioxyde de carbone et d’eau. Le mécanisme de cette réaction n’est pas encore bien connu, si on suppose qu’elle fait intervenir le dioxygène, écrire l’équation d’une telle réaction avec une molécule organique de votre choix. 4. Pourquoi sur le verre ordinaire les gouttes s’évaporent-elles en laissant des traces ? 5. Expliquer ce qu’est le biomimétisme. 6. À l’aide du document 3, comparer le comportement de la goutte d’eau sur les deux types de surface. En déduire pourquoi une surface super-hydrophobe plongée dans l’eau ressort complètement sèche. 7. Que peut-on utiliser pour créer les micro-tuyaux d’une surface super hydrophobe. Fiche Méthode Mesures d’angle avec « Photofiltre »
Mesures de longueurs au microscope avec « Imagefocus »
TS spé Thème Matériaux/Nouveaux matériaux Nanoparticules de carbone / Microcapsules FICHE MATERIEL ET PRODUITS Par poste : prévoir 10 postes ● boîte de Petri ● bougie + allumettes ● 2 compte-gouttes ● liquide vaisselle ● chiffon ● support + noix + pince pour maintenir le becher ● 2 becher 250 mL ● bain-marie ● 4 tubes à essai ● acide chlorhydrique 0,1 mol.L-1 ● microscope + caméra + lamelles ● eau distillée Au bureau : Matériel et produits : ● compte-gouttes ● feuilles de gélatine ● gomme arabique + spatule ● 2 balances |
