TP Matériaux
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TP Matériaux Table Des Matières 1 - Nanoparticules de magnétite. 4 1.1 Nanoparticules et magnétisme...................................................................................................................4 1.2 Synthèse de nanoparticules de magnétite...................................................................................................7 1.3 Exploitation.............................................................................................................................................8 3 1- Nanoparticules De Magnétite. 1 1.1 Nanoparticules et magnétisme Nanoparticules Une nanoparticule à une taille inférieure à 100 nm. Une nanoparticule est également définie comme ayant « un diamètre suffisamment petit pour que les propriétés physiques et chimiques diffèrent de façon mesurable de celles des matériaux en vrac ». On peut également classer les nanoparticules selon leur taille dans chacune des trois dimensions : les fullerènes, ont leur trois dimensions dans le domaine nanométrique (point) ; les nanotubes, dendrimères, nanofils, fibres et fibrilles ont deux dimensions nanométriques (ligne) ; les films minces n'ont qu'une dimension nanométrique (plan). Les propriétés de la matière changent fortement quand la taille des objets se rapproche du nanomètre. Ceci est dû en partie au fait que la surface d'un matériau joue un rôle de plus en plus grand lorsque sa taille décroît, alors que le nombre d'atomes appartenant à la surface est négligeable dans le cas d'un matériau macroscopique. Les impacts sanitaires (toxicologiques et écotoxicologiques) des nanoparticules, qu'elles soient d'origine naturelle ou anthropique, sont encore très mal connus, néanmoins ils sont supposés importants, car si ces particules n'ont presque pas de masse, leur surface de réaction est proportionnellement la plus grande (par unité de poids). Leur impact varie probablement selon leur taille, leur caractère hygrophile, lipophile, leur charge électrique, leur tendance à s'agglutiner ou non qui peuvent favoriser ou non leur passage des barrières biologiques (cellulaire, peau, muqueuses, poumon, intestin, barrière hématoencéphalique, placentaire, etc.) L'être humain et d'autres espèces vivantes sont notamment exposés à des nanoparticules ayant comme source des phénomènes d'usure mécanique (freins et pneus par exemple), et de combustion (incinération, pots d'échappement y compris pots catalytiques, centrales thermiques, certaines productions industrielles...). Des études, y compris chez l'être humain, ont mis en évidence qu'une importante part des nanoparticules inhalées atteignaient directement les alvéoles pulmonaires, d'où elles peuvent passer dans les cellules ou dans le sang. La pilosité nasale, le mucus et le transport mucociliaire n'éliminent que les grosses particules. En particulier, des particules ultra-fines associées « à une hausse de la mortalité due à leur dépôt dans les poumons, cerveau et système circulatoire » sont produites par la combustion du bois ou autres combustibles et carburants (fuel, essence, moteurs Diesel). Le graphène Le graphène est une couche d'atomes de carbone organisée de façon très régulière. Tous les atomes sont organisés sur un même plan. On parle de cristal à deux dimensions. Le graphène est un cristal de carbone bidimensionnel formé de cellules hexagonales. Empilé, il donne le graphite. Le graphène est un excellent conducteur électrique, très résistant à la chaleur et transparent. La conductivité thermique est deux fois plus importante que celle du cuivre tout en présentant une meilleure dissipation de la chaleur. Il pourrait permettre de faire des écrans flexibles et résistants, des feuilles de papiers électroniques et pourrait aussi intervenir dans la fabrication de capteurs solaires ou de batteries. 4 Nanoparticules de magnétite. Le graphène Du WiFi 100 fois plus rapide Le graphène ouvre des perspectives très intéressantes dans les réseaux sans fil. Un papier publié dans Technology Review, le journal du MIT, explique que l'utilisation d'une antenne en graphène pourrait améliorer significativement les débits. Alors que le WiFi exploite au mieux des fréquences dans la bande du gigahertz (GHz), le graphène permettrait d'entrer dans l'ère du térahertz (THz). Selon les estimations du professeur Ian Akyildiz et de son équipe, il est possible d'atteindre des débits de 100 térabits par seconde pour des communications en champ proche (à quelques centimètres près). Dans un rayon d'un mètre, une antenne en graphène permettrait d'atteindre un débit d'un térabit par seconde, ce qui permettrait d'échanger en une seconde et entre deux mobiles dix films en haute définition. Affichage lumineux • Contrôle tactile • Dépliable en écran 17'' • Station météo • Connexion Wi-Fi • Recharge photovoltaïque Image 1 Un bracelet en graphène Image 2 Plasticité du graphène Extrêmement flexible Supporte de très fortes contraintes. Bonne conductivité thermique Conductivité électrique importante (résiste aux forts courants) Composé organique (faible coût) Transparence Magnétisme Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre. Origine microscopique de l'aimantation Tous les corps étant formés d'atomes individualisés ou associés en molécules ou d'ions, les électrons ne sont pas libres (sauf les électrons de conduction dans les métaux) mais localisés 5 Nanoparticules de magnétite. dans des orbitales. Le mouvement de ces charges autour des noyaux constitue un courant microscopique responsable d'un moment magnétique électronique. A l'échelle de l'atome, de l'ion ou de la molécule, le moment total est la somme vectorielle de tous les moments électroniques et vaut une certaine valeur. Par contre à l'échelle macroscopique, le moment magnétique d'un échantillon de matière est nul. Soit parce que les moments individuels des atomes, ions ou molécules sont nuls soit parce que l'agitation thermique oriente sans cesse ces dipôles dans des directions aléatoires, avec une égale probabilité. Ainsi aucun milieu ne présente une aimantation spontanée lorsque la température est suffisamment importante. L'introduction d'un champ magnétique excitateur perturbe les mouvements électroniques et modifie le moment magnétique de chaque électron. Le moment magnétique total peut ainsi prendre une valeur non nulle. Matériaux diamagnétiques : Matériaux qui ne comportent que des atomes non magnétiques, aimantation induite par le champ qui disparaît lorsque ce champ est nul. Origine de ce magnétisme induit : modification du mouvement orbital des électrons sous l'effet du champ appliqué. Aimantation macroscopique colinéaire au champ excitateur mais de sens opposé. Le courant induit sous l'action du champ extérieur crée un champ qui s'oppose au champ extérieur. Tous les corps sont diamagnétiques, mais ce phénomène est peu important et n'est visible que si les atomes ou molécules ne possèdent pas de moment magnétique individuel intrinsèque qui masquerait l'effet. Matériaux paramagnétiques : Les atomes portent un moment magnétique permanent dont l'orientation est aléatoire. Les distances interatomiques ou intermoléculaires sont suffisamment importantes pour que les moments n'exercent aucune interaction mutuelle. Donc en l'absence de champ extérieur, ils ne sont soumis qu'à l'agitation thermique et l'aimantation globale est nulle. Sous l'effet d'un champ magnétique, l'orientation moyenne des moments change sous l'effet du couple qui les ramène suivant la direction et le sens du champ ⇒ apparition d'une aimantation induite parallèle au champ et de même sens. Exemples : aluminium, platine, manganèse, sodium, Matériaux ferromagnétiques : Les atomes ou molécules possèdent chacun un moment magnétique individuel et ils sont en interaction avec leurs plus proches voisins => alignement collectif sur des domaines de l'ordre du micromètre. D'où existence de domaines spontanément aimantés : domaines de Weiss. La direction de l'aimantation variable d'un domaine à l'autre du fait de l'agitation thermique ⇒ aimantation totale nulle. Modification des domaines sous l'effet d'un champ magnétique ⇒ apparition d'une aimantation induite parallèle au champ et de même sens. Si on supprime le champ, les domaines reprennent partiellement leur indépendance, mais les interactions magnétocristallines résiduelles font que les moments de chaque domaine restent partiellement alignés sur le champ initial =>aimantation rémanente. L'aimantation rémanente disparaît si la température augmente ou si on applique un nouveau champ de sens opposé. Exemples : fer, cobalt, nickel et leurs alliages 6 Nanoparticules de magnétite. 1.2 Synthèse de nanoparticules de magnétite Préparation Préparer 5,0 mL d'une solution ayant les caractéristiques suivantes : ions concentration (mol.L-1) Fer II - Fe2+ Fer III - Fe3+ 0,40 Chlorure - Cl0,80 3,20 Dans un bécher de 100 mL, introduire cette solution et un barreau aimanté. A l'aide d'une burette, ajouter lentement (2 gouttes par seconde) 50 mL d'une solution d'ammoniac. Retirer le barreau. Laisser décanter la magnétite noire en utilisant un aimant. Éliminer la solution surnageante. Ajouter 20 mL environ d'eau distillée. Agiter avec une baguette en verre et éliminer à nouveau le liquide surnageant. Répéter ce lavage. Ajouter à la magnétite un volume égal de savon liquide. Triturer. Tester le ferrofluide avec un aimant. 7 Nanoparticules de magnétite. 1.3 Exploitation Nanoparticules 1. Qu'appelle-t-on nanoparticules ? 2. Quels dangers présentent ce type de particules ? 3. Citez une utilisation des nanoparticules. 4. Décrire la structure du graphène 5. Quelle particularité lui confère cette structure ? 6. Citez une utilisation du graphène. Magnétisme 1. Résumer dans un tableau les différences entre les différentes sortes de magnétisme ? 2. A quelle catégorie appartient un aimant permanent ? 3. Que remarquez vous concernant les atomes ferromagnétiques ? 4. Expliquez pourquoi la cassure d'un aimant possédant 2 pôles donne 2 aimants bipolaires. 5. Peut-il exister des aimants à 3, 4 pôles ? 8
