Les mardis de la Chimie

Les méthodes d’élaboration de nanomatériaux inorganiques ou hybrides reposant sur «la Chimie Douce» mettent en jeu des réactions de « polymérisation minérale » au sens large et s'effectuent à température ambiante. Il est donc possible par ce type d’approches, de générer simultanément dans un même matériau des composantes organiques ou biologiques et des composantes minérales afin d'aboutir à de véritables hybrides ou nano-composites organo-minéraux. Combiner en un seul matériau les propriétés de certaines molécules organiques ou biologiques et celles des composés minéraux est devenu un objectif réalisable. Ces approches transversales où ingenierie moléculaire et procédés ingénieux sont synergétiquement couplés recouvrent des stratégies de synthèses biomimétiques ou bio-inspirées qui permettent au chimiste d’élaborer des systèmes complexes de formes variées avec une parfaite maîtrise des différentes échelles de taille, de la composition, la fonctionnalité et de la morphologie. La réalisation d’architectures hiérarchiques hybrides complexes implique des modes de synthèse transversaux et illustre bien le rôle central d’une « Chimie Intégrative » dans le domaine des matériaux avancés. C'est dans ce contexte que se développe, au carrefour de « la chimie dans tous ces états », de la physique, de la biologie et de la science des matériaux, le champ nouveau d'investigation concernant les matériaux hybrides. En terme d’applications, certains hybrides ou nano-composites organo-minéraux sont au niveau du développement ou de prototypes et d’autres sont déjà commercialisés. Ces matériaux hybrides impactent des domaines aussi variés que ceux de l’automobile, du textile, de l’emballage, de la construction et de l’isolation thermique et phonique, de la micro-optique et micro-électronique. Les matériaux hybrides sont déjà très utilisés dans l’élaboration de revêtements fonctionnels (Anticorrosion, Antisalissure, Anti rayures, Autonettoyants, Décorations, Antireflets…). Certains d’entre eux sont aussi en émergence dans le domaine de l’énergie. Les sciences environnementales bénéficient de la mise au point de matériaux hybrides dans des domaines comme ceux concernant les capteurs et biocapteurs, la catalyse et biocatalyse, la séparation, les membranes sélectives. Dans le domaine des applications médicales et de la cosmétique, les hybrides sont développés dans : les implants et ciments dentaires, les soins et la protection du cheveu et de la peau, les prothèses, l’imagerie et les vecteurs thérapeutiques.

L'un des buts de la Chimie est de décrire la matière à l'échelle microscopique atomique et subatomique afin d'en comprendre la structure, d'identifier les mécanismes qui assurent la stabilité et d'expliquer les propriétés chimiques. Jusqu'au début du XXème siècle cette description s'est limitée à l'écriture de formules chimiques où chaque atome est représenté par le symbole de son élément et les liaisons par des traits. Avec la découverte de l'électron en 1897 puis du noyau en 1911 une représentation plus détaillée devenait possible. Cependant, la taille et de la nature quantique des particules ne permettant pas leur observation directe il est nécessaire de procéder à la construction d'une représentation de la réalité à partir des données expérimentales et de la théorie quantique. Les premiers modèles électroniques comme celui de Lewis organisent les électrons autours des noyaux à partir de règles empiriques simples. Si la mécanique quantique apporte une description rigoureuse de la matière c'est, selon le mathématicien et philosophe des sciences René Thom, au prix d'une perte d'intelligibilité due principalement au caractère délocalisé de cette description. Cependant, l'interprétation statistique de la mécanique quantique par l'introduction du concept de densité de probabilité et sa cartographie restaure une vision «géographique» plus familière et plus facile à comprendre. La densité électronique est une source d'information importante obtenue soit par l'analyse des raies des spectres de diffraction des rayons-X, soit par le calcul quantique. La visualisation et l'analyse de la densité électronique ainsi que d'autres fonctions dérivées de l'interprétation statistique de la mécanique quantique sont illustrées par une série d'exemples appartenant aux différents domaines de la chimie. Il est ainsi possible de voir des liaisons chimiques se rompre et se former au cours d'une réaction.

Nous traitons ici la matière à différentes échelles et plus particulièrement de son assemblage. Ainsi l’assemblage de quelques atomes conduit à des clusters, pour un nombre d’atomes plus important on aura à faire à des nanomatériaux, aussi vieux que le monde. L’assemblage des nanomatériaux entre eux conduit à une nouvelle classe de solides qui présente des propriétés physiques propres à l'assemblage des nanomatériaux et différant de celle du même nanomatériau isolé. Nous montrons que les structures constituées d’atomes et/ou de nanomatériaux se retrouvent à différentes échelles (de quelques nanomètres au centimètre). L’étude comparative des propriétés physiques et chimiques des nanomatériaux isolés ou auto assemblés devrait, à terme, conduire à l’émergence de quelques lois universelles.

Les chefs d'oeuvres du passé étaient généralement aussi des objets de haute technologie. Aussi les micro- et nanostructures des matériaux constitutifs de ces objets (peintures et pastels, fresques, céramiques, verres, émaux, vitraux...) conservent en leur sein de nombreuses informations sur leur histoire et le savoir-faire de leurs créateurs. La portabilité des techniques d'analyses optiques, en particulier la microspectrométrie Raman révolutionne les pratiques d'analyse et apporte de nouvelles connaissances sur la virtuosité technique des artisans et artistes et de nouveaux outils pour déceler les faux ou embellissements.

Introduit originellement comme un concept philosophique au Vème siècle avant J.-C., la réalité physique de l'atome est établie depuis le début du XXème siècle. Depuis cette époque, il est considéré par les chimistes comme la brique élémentaire à la base de la construction des édifices moléculaires. Dans les années 1980, des progrès technologiques remarquables ont permis de réaliser des images de molécules ou d'atomes isolés, déposés sur une surface. En chimie, un pas supplémentaire a été franchi à la fin du XXème siècle, lorsque les progrès réalisés en science des lasers ont permis de suivre "en temps réel", le mouvement des atomes pendant une réaction chimique (A. Zewail, Prix Nobel 1999). Plus récemment encore, au cours de la dernière décennie, des images "instantanées" du nuage électronique au sein d'une molécule viennent d'être réalisées, avec une résolution temporelle "attoseconde". On envisage maintenant la possibilité de "filmer en temps réel" le mouvement des électrons au sein d'une molécule, au cours d'une transformation chimique. L'exposé permettra de faire le point sur ces avancées extrêmement récentes, dont certaines ont été réalisées à l'Université Pierre et Marie Curie.

Les Egyptiens de l’antiquité pensaient que leur fameux fard à paupières les protégeaient contre les infections oculaires, et le décrivaient ainsi dans leurs traités médicaux. Ceux-ci ont longtemps été ignorés du fait de l’abondance d’invocations religieuses dont ils sont truffés. Cependant, nos travaux montrent que l’un des composés du fard noir avait une propriété bactéricide. Ce composé non-naturel à base de plomb stimule en effet la production de monooxyde d’azote par les cellules de la paupière, et devait ainsi protéger l’oeil contre toute infection bactérienne.

Etienne-François Geoffroy, l’un des chimistes français les plus réputés au début du XVIIIe siècle, présenta le 15 avril 1722 à ses collègues de l’Académie royale des sciences un mémoire intitulé « Des supercheries concernant la pierre philosophale ». Plutôt que de voir dans ce texte, comme on le fait trop souvent, la preuve d’une rupture entre les absurdités supposées de l’alchimie et la rationalité de la chimie, on montrera au contraire que la chimie de l’époque, tout en marquant sa nouveauté et son inscription dans les sciences de son temps, n’entendait pas renier les travaux des alchimistes qui firent son passé. Ce qui suppose que l’on jette un nouveau regard, débarrassé des distorsions et des illusions du scientisme aussi bien que de l’ésotérisme, sur l’histoire d’une science chimique dont les recherches, depuis ses débuts aux premiers siècles de notre ère, puis à travers tout le Moyen-Âge et jusqu’à l’époque de la Révolution scientifique, ne peuvent être distinguées des théories et des pratiques de l’alchimie.