Tout matériau utilisé existe grâce à la chimie, tout comme nous le sommes d'ailleurs ! Tout est composé de molécules, d'ensembles d'atomes liés… Mais plus spécialement, disons que la chimie a permis bien des innovations en matière de matériaux, que ce soit des matériaux de construction, des matériaux dans l'industrie pharmaceutique, des matériaux dans tous les domaines industriels… On parle d'ailleurs de chimie des matériaux, le saviez-vous ? Qu'est-ce exactement que la chimie des matériaux ? Les chercheurs en chimie des matériaux se spécialisent dans quelles banches exactement ? Voyons tout cela de plus près.
Définition : de quoi parle-t-on ?
La chimie des matériaux est l'une des très nombreuses sous-branches de cette science fondamentale qu'est la chimie des matériaux. Comme son nom l'indique, elle traite des matériaux. Mais desquels plus précisément ? En réalité, la chimie des matériaux est l'une des sous-catégories de la chimie qui rassemble à son actif le plus grand nombre de chercheurs et chimistes. Il s'agit d'utiliser les connaissances et savoirs actuels en chimie pour concevoir toujours de nouvelles synthèse afin de créer de nouveaux matériaux, toujours plus intéressants, plus sécurisés et moins coûteux que ceux actuels.
La chimie des matériaux vise donc à créer de nouveaux matériaux disposant d'applications et de propriétés utiles, intéressantes, sécurisées et moins coûteux que les matériaux de notre époque actuelle. La chimie des matériaux fait sans cesse de nouveaux progrès !
L'histoire de la chimie des matériaux
Si l'on peut avoir la sensation que la chimie des matériaux n'a pas une longue histoire, il n'en est pourtant absolument rien ! Bien au contraire, depuis déjà l'âge de pierre, nous avons débuté l'utilisation de la chimie des matériaux. Sans nécessairement mettre des mots dessus d'ailleurs ! Il faut dire que tout simplement, l'utilisation humaine du feu, par le biais du frottement de deux pierres, de préférence l'une étant un silex et l'autre étant une pierre moins dure et riche en sulfure de fer. Déjà à cette époque, on excitait des molécules sans réellement le savoir ! Saviez-vous que l'une des branches de la chimie, la chimie des couleurs, explique pourquoi l'on voit un objet d'une certaine couleur ?
Si nous ne mettions à l'époque pas de noms sur les choses, les phénomènes se déroulaient tout de même. De nos jours, nous arrivons justement à aller toujours plus loin pour ne pas seulement combler nos besoins primaires, à savoir nous chauffer par exemple, et ainsi essayer de toujours améliorer nos conditions de vie et de travail actuelles, pour assurer que ce soit un gain de temps, une meilleure isolation thermique, ou encore un rendement plus efficace dans l'industrie…
Comment sommes-nous passés d'un simple pont de pierre au Viaduc Charlemagne en Belgique, par exemple ? Ou encore d'un menhir à une statue telle que la Statue de la Liberté ? Comme vous l'apprendrez durant vos cours de chimie 3ème secondaire belgique, l'histoire des matériaux a engendré de nombreux changements dans nos modes de vie. La chimie des matériaux existe ainsi depuis des milliers d'années, et alors que l'on pense nécessairement à l'aspect "artificiel" en entendant le mot "chimie", il faut se rappeler que la chimie, c'est aussi le naturel !
Il s'agit ainsi de l'une des premières formes d'intelligence de l'humain que l'on a pu observer : prendre conscience que l'on peut se servir d'éléments qui nous entourent pour en faire des outils permettant d'atteindre un autre résultat. On applique ainsi une structure et une forme, surtout, que l'on a en tête afin de construire de nouvelles choses. On adapte ainsi l'élément à l'application voulue donc.
La forme : l'élément indispensable à prendre en compte en chimie des matériaux
S'il y a bien un élément fondamental en science de la chimie des matériaux, c'est bien la forme et la structure d'un élément. En effet, la notion de forme est importante et est même à la base de cette branche de la chimie, en ce que l'on transforme la matière dans sa forme et dans sa structure. Forger des matériaux implique que l'on modifie en effet, par exemple, la forme de l'objet initial grâce à la chimie !
Un premier exemple : durant l'âge de fer, on prenait des minerais (minéraux dotés de substances qu'il est possible d'extraire, d'isoler donc) d'oxydes de fer, que l'on réduisait avec du charbon (carbone) au sein de fourneaux, par le biais d'une augmentation de la chaleur bien sûr. Cela donnait alors du métal, déjà ! On venait alors de créer du fer métallique, et ce par le biais d'une formule que l'on rédigea par la suite ainsi : FeO+ + C -> Fe + CO. Tout ceci est possible par le biais de l'utilisation humaine, bien entendu ! De même, si nous sommes aujourd'hui capables de cuisiner bien plus qu'un simple morceau de viande crue, c'est grâce à notre connaissance de la chimie !
L'importance du feu dans la chimie des matériaux jusqu'ici
Il faut bien se rendre compte à quel point nombre de matériaux furent construits au fil des siècles, presque exclusivement grâce à la maîtrise humaine du feu. Sans le feu, il n'y aurait eu aucun briquet pneumatique, aucun acier, aucune fusion de métal… Le feu est tout simplement à l'origine de tout matériau de l'aube de l'humanité jusqu'à une époque récente ! Si bien que finalement, on a fini par se rendre compte que plus les techniques étaient sophistiquées dans l'élaboration de nouveaux matériaux, plus les températures requises pour y parvenir étaient élevées. Il faut donc sans cesse une plus grande maîtrise du feu.
On a pu alors commencer à se demander finalement où cela allait-il conduire, au fur et à masure, en poursuivant ainsi dans cette voie ? On parla alors de "guerre du feu", en effet, au fil des siècles, il faut remarquer que l'on parvint à transformer et donc à travailler les matériaux grâce à notre maîtrise du feu, en commençant au départ par une maîtrise du feu à seulement 20 degrés. Puis à l'âge de bronze, suivant l'âge de pierre, on parvint à le maîtriser jusqu'à 600 degrés. On passa même à 100 degrés à l'âge du fer, puis de nos jours, la limite n'est plus visible (plus de 2 000 degrés)…
Une réelle alternative : la chimie douce
Survint alors la chimie douce. Cette expression signifie que l'on doit porter plus d'attention à notre environnement plutôt que de toujours miser sur une maîtrise du feu, ce qui limite en effet les possibilités. Il n'y a pas qu'avec le feu que l'on peut construire des matériaux et optimiser ces derniers ! La chimie douce règle un peu la question de la "guerre du feu", car l'observation de la nature et de son fonctionnement, par le biais du vivant principalement, règle bien des problèmes ! La nature fournit tant d'exemples que l'on finit par reproduire ce que nous observons autour de nous afin d'optimiser nos matériaux.
Le cas du biomimétisme
Très fréquent désormais, le biomimétisme correspond donc à cette capacité à imiter le milieu du vivant dans son environnement naturel et de l'appliquer au nôtre. En réalité, il s'agit aussi de techniques mises en place dans le cadre du développement durable. On s'inspire notamment des formes et des structures présentes et visibles dans la nature.
A titre d'exemple, les trains à grande vitesse japonais sont particuliers dans le monde : on les reconnaît à leur avant semblable au bec d'un martin-pêcheur, tandis que les trains à grande vitesse belges, par exemple, sont moins aplatis à l'avant. Les TGV japonais sont sculptés pour mieux éviter les chocs au moment de l'entrée dans les tunnels !
Pourquoi les pales des éoliennes ressemblent étrangement aux nageoires des baleines à bosse ? Ce n'est pas un hasard : le biologiste Franklin Fish, américain, accompagné de deux acolytes, a développé des pales rotatives inspirées des baleines étant donné que l'on a remarqué que cela facilitait la pénétration dans l'atmosphère… En réalité, les bosses situées sur les nageoires et donc sur les pales des éoliennes permettent d'améliorer drastiquement le rendement ainsi que de diminuer leur bruit !
La chimie crée des matériaux utiles dans tous les secteurs
Aujourd'hui, la chimie aide à mettre en place la fabrication d'un tas de matériaux dans tous les secteurs de la vie courante ! Ainsi, dans le domaine de l'optique, à titre d'exemple, on fabrique des matériaux capables de détecter la présence de polluants ainsi que de cellules photovoltaïques. Dans l'énergie, on peut désormais produire de l'hydrogène. En chimie douce, les matériaux inorganiques sont travaillés à basse température… Nous avons besoin de travailler les matériaux avec la chimie pour tous les secteurs, même pour la parfumerie ou encore la cosmétique par exemple !
Également, si on peut aujourd'hui se servir d'un téléphone portable, c'est parce que le feu a permis de transformer la silice en silicium ! C'est pareil pour les ordinateurs d'ailleurs… Finalement, l'électronique et l'informatique proviennent de cette maîtrise du feu ! Le défi est aujourd'hui de parvenir à concevoir des matériaux plus autonomes, ce qui va donc dans le sens de la chimie verte, ici.
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