>Les procédés sol-gel : ou comment faire pousser une vitre ?

>

Pour faire une pièce de verre, il faut (en simplifiant, bien sûr) : du sable (de la silice ) et un four à 1500 °C. Facile, non ? un peu chaud cependant…
Et pourtant dans la nature, des orfèvres microscopiques font pousser du verre en des formes dignes des plus grands sculpteurs : les diatomées.

Classe, non ? Ces petits organismes faisant parties du phytoplancton utilisent la silice dissoute dans l’eau pour former une sorte de double coque dans laquelle ils vivent. Bref, ils font pousser du verre en des formes ultracomplexes, leur permettant de se protéger, d’échanger nourritures et déchets avec leur environnement, …
Il n’en fallait pas moins pour qu’on essaie de s’en inspirer : nous aussi on veut faire pousser du verre !

Et ainsi est né le procédé « sol-gel ». Le principe est simple : mettre en solution des « monomères » de silice qui vont polymériser en 3 dimensions pour donner le matériau souhaité.

Venons un peu dans les détails : la silice, de formule chimique SiO2 représente environ 60 % de la croûte terrestre continentale. Le sable, le quartz, le silex, c’est elle… En chauffant du sable avec certains additifs (chaux, oxyde de sodium par exemple), on fait fondre la silice, que l’on peut ensuite modeler, et obtenir le verre que constitue nos vitre, récipients en tout genre, etc…

Mais, de façon évidente, ce n’est pas le mode opératoire des diatomées : ces espèces vivantes vont fabriquer leur coquille de verre à partir de la silice dissoute dans l’eau.
Le soucis, c’est que l’homme n’est pas aussi doué que les diatomées, et avec une concentration maximale de silice dans l’eau de 0,12 g par litre, on ne va pas réussir à faire pousser du verre. dans les mêmes conditions.
La solubilité de la silice n’est pas assez importante ? il n’y a qu’à utiliser un dérivé de ce composant qui lui est soluble. Et c’est ainsi qu’on utilise des alcoolates de silicium, de formule du type Si(OR)4, solubles dans l’éthanol par exemple.
Voilà, on a nos précurseurs, les alcoolates, il reste plus qu’à ajouter un peu d’eau, ce qui permet d’initier la polymérisation. Deux étapes :

  • l’hydrolyse des précurseurs :

  • et la polymérisation :
Ou, pour mieux visualiser cette seconde étape :
Procédé sol-gel : la formation d’un réseau de silice met en jeu des réactions de polymérisation inorganique par hydrolyse-condensation de précurseurs moléculaires en solution.

C’est ce fameux (SiO2)n qui constitue le « verre ». A ce stade là, mélangé comme il est avec le solvant, ce polymère de silice forme un « gel ». L’évaporation du solvant va être une étape clé, car c’est à ce moment que va se jouer certaines caractéristiques du matériau final. Suivant les options choisies, on va avoir de la silice sous des formes radicalement différentes : des xérogels, ou les aérogels.
Plutôt que d’entrer dans les détails, le mieux est de les visualiser…

ça , c’est des « aérogels ». Non, votre écran n’est pas flou !! Ce matériau est un petit miracle de légereté (3 mg par cm cube !!), tout en conservant des propriétés mécaniques tout à fait surprenante (Photo de droite : un bloc d’aérogel de 2 g supportant une brique de 2,5 kg). Compte tenu de sa structure, il est aussi un des meilleurs isolant thermique qui soit, un support pour catalyseur exceptionnel, etc…

ça, ce sont des « xerogels ». De structure beaucoup plus dense, ils possèdent des propriétés sans doute plus classique que les aérogels, mais ne restent pas moins intéressants, principalement en optique, pour la fabrication de lentilles, miroirs…
Et on arrive au plus formidable : les procédés sol gel permettent d’accomplir le miracle de la formation de matériaux hybrides… Et oui, pourquoi se contenter de la silice bête et méchante, lorsqu’on peut greffer, sur chaque atome de silicium, une fontion chimique différente d’un simple atome d’oxygène ? Au lieu de partir d’un précurseur de Si(OH)4, on va partir par exemple d’un précurseur de Si(OH)3R, où R va être un groupement 

dont les propriétés doivent être incluse dans le matériau. Lors de la polymérisation, on va obtenir une silice modifiée :

Et maintenant, le matériau va être coloré, ou fluorescent par exemple : 

 Ou encore déperlant, résistant à la corrosion, catalyseur de réaction de dépollution, et la liste n’est pas exhaustive… Il y a autant de propriété finale qu’il n’y a de groupe R à greffer !
On pourrait même imaginer… Et si … Et si on greffait dans cette silice des groupements qui donnait un goût sucré, salé, amer,… Vous imaginez, portant un verre (un xérogel je veux dire) d’eau à la bouche, un tourbillon de saveur sur le bout de la langue qui l’effleure ?

Sources :

About Mr Pourquoi

Ce blog est né il y a quelques années du désir de parler des sciences, de toutes les sciences, depuis les plus insignifiants phénomènes qu’on peut rencontrer dans la vie courante, jusqu’aux sujets de recherche les plus pointus, particulièrement en chimie, et pharmaceutique. Je suis agrégé de chimie, docteur en chimie organique, et actuellement prof en lycée en France, et aussi, (et surtout ! ) un père heureux d’une famille (très) nombreuse.
This entry was posted in chimie, diatomée, matériau hybride, Non classé, silice, verre. Bookmark the permalink.

Laisser un commentaire

Votre adresse de messagerie ne sera pas publiée. Les champs obligatoires sont indiqués avec *