Médaille
N°1 pour apprendre & réviser du collège au lycée.
Structure et propriétés des matériaux

Déjà plus de

1 million

d'inscrits !

0/2
0 / 10
Challenge tes acquis !
Remporte un max d’étoiles
et de school coins !
`

Avant de commencer, regarde les vidéos

Introduction :

Pour comprendre la structure et les propriétés des matériaux, il faut tout d’abord étudier le phénomène de conduction. Cela constituera notre première partie.
Dans une seconde partie, nous étudierons trois types de matériaux : les cristaux liquides, les tensioactifs et les adhésifs.

La conduction

Les conducteurs

Certains matériaux sont conducteurs et d’autres sont isolants.

Un conducteur permet le passage d’un courant électrique. Cette caractéristique est décrite par ce qu’on appelle la théorie des bandes.

bannière definition

Définition

Théorie des bandes :

Les électrons d’un solide peuvent atteindre différents niveaux d’énergie qui sont répartis en intervalles (en « bandes »).

bannière exemple

Exemple

Les niveaux d’énergie caractéristiques de l’atome d’hydrogène sont les suivants :

Niveaux d’énergie caractéristiques de l’atome d’hydrogène physique-chimie terminale Niveaux d’énergie caractéristiques de l’atome d’hydrogène

bannière à retenir

À retenir

  • Quand l’atome est à son état d’énergie le plus bas, on dit qu’il est dans son état fondamental. C’est l’état stable de l’atome.
  • Quand l’atome est à un niveau d’énergie plus élevé, on dit qu’il est dans un état excité.

Le passage d’un niveau d’énergie à un autre s’appelle une transition.

bannière astuce

Astuce

On peut comparer cette organisation au fonctionnement des fréquences harmoniques d’une note de musique par rapport à la fréquence fondamentale : une corde qui vibre va émettre un son complexe composé d’ondes différentes, mais qui respectent des intervalles précis. Même si la réalité physique est différente, on peut visualiser cette organisation de la même façon.

Fréquences harmoniques physique-chimie terminale Fréquences harmoniques

  • Une couche d’énergie pleinement remplie est appelée bande de valence. Ses électrons permettent la cohésion des atomes du solide, ils ne sont donc pas disponibles pour conduire un courant électrique. Ces électrons ne laissent pas non plus de place pour qu’un autre électron puisse passer et donc générer un courant.
  • La première bande qui n’est pas remplie est appelée bande de conduction, c’est sur elle que se déplacent des électrons libres. La capacité d’un matériau à conduire l’électricité dépend du gap (c’est-à-dire de l’écart) d’énergie entre les deux bandes.

Si les électrons peuvent facilement passer sur la bande de conduction, alors un courant électrique sera conduit par le solide. On dit alors que les deux bandes se chevauchent, permettant aux électrons de la bande de valence de laisser un trou.

Écart d’énergie entre deux bandes physique-chimie terminale Écart d'énergie entre deux bandes

bannière à retenir

À retenir

Si l’écart d’énergie entre les deux bandes est très important, alors le solide sera très résistant à l’électricité. Il sera donc isolant.

En dehors de certaines conditions précises, un conducteur est forcément résistant au courant électrique, même dans une faible mesure. On parle alors de conducteur ohmique.

bannière exemple

Exemple

Les métaux sont de très bons conducteurs ohmiques.

Les supraconducteurs

bannière à retenir

À retenir

Il est possible de réduire la résistance au point de la rendre nulle. Cette situation implique que le gap d’énergie entre la bande de valence et la bande de conduction soit égal à zéro.

Dans ce cas on évoquera un matériau supraconducteur. Deux caractéristiques le définissent :

  • sa résistance est nulle ;
  • lorsqu’il est soumis à un champ magnétique, il génère un champ opposé.

Cette conformation n’est possible qu’à très faible température (proche de zéro Kelvin). Un supraconducteur ayant une résistance nulle à l’électricité, il permet non seulement de transporter celle-ci sans effet Joule (donc sans production de chaleur) mais aussi de la stocker.

L’objectif des chercheurs dans ce domaine est de trouver un matériau qui aurait les caractéristiques d’un supraconducteur à température ambiante.

Les semi-conducteurs

Dans le cas des semi-conducteurs, le gap est non nul mais très faible.

  • Le matériau va donc être très faiblement conducteur.

Il est possible de faire varier sa résistance en fonction de sa température ou de son exposition à la lumière. En effet, une augmentation de ces facteurs favorisera la cassure des liaisons de valence, et permettra donc l’initiation d’un courant.

Il est également possible de « doper » ces matériaux : en introduisant des impuretés dans la structure uniforme du matériau semi-conducteur, on peut imposer des électrons de charge positive ou négative.

  • Les électrons libres excédentaires génèrent un courant par dopage de type N (négatif).
  • Les électrons manquants laissent des trous qui permettent le passage d’électrons par dopage de type P (positif).
bannière exemple

Exemple

Un exemple d’application actuelle de semi-conducteurs sont les cellules photovoltaïques faites à base de silicium : la lumière casse une liaison de valence et produit un courant électrique.

On développe actuellement des membranes fines (de l’ordre de quelques nanomètres d’épaisseur) de semi-conducteurs, qui, à un certain mode d’oscillation, permettent de baisser la température ambiante proche de zéro degrés Kelvin.

  • Cette innovation pourrait permettre de faire un bond en avant dans le domaine informatique.

Mais la conductivité n’est pas la seule propriété induite par des modifications à l’échelle atomique.

Autres propriétés

Les cristaux liquides

Les cristaux liquides ont des propriétés qui, comme leur nom l’indique, sont à la fois propres aux cristaux et aux liquides. Les cristaux liquides sont caractérisés par un état intermédiaire entre :

  • la phase cristalline (où règne un ordre de position tridimensionnel),
  • et la phase liquide (où aucun ordre n’existe).

L’état du matériau dépend de la température, de la pression, et de la concentration lorsqu’il est sous forme de solution.

La plupart des cristaux liquides sont constitués de molécules organiques qui comportent au moins deux parties différentes :

  • par leur structure (une partie rigide et une partie flexible),
  • par leurs propriétés (l’une hydrophile et l’autre hydrophobe).

Il existe de nombreuses phases pour les cristaux liquides que l’on peut répertorier dans trois grandes familles, que l’on appelle mésophases :

  • la phase smectique, qui possède un ordre de position à une seule dimension. Le matériau est organisé en couches. À chaque étage, les molécules s’organisent avec la même orientation. C’est la mésophase la plus proche de l’état cristallin ;
  • la phase nématique, qui est caractérisée par l’absence d’ordre de position. On y retrouve pourtant une orientation commune. Cette phase est la plus proche de l’état liquide ;
  • et la phase cholestérique, qui ressemble beaucoup à la phase nématique, mais dont l’orientation est hélicoïdale (en forme d’hélice).

Les mésophases des cristaux liquides physique-chimie terminale Les mésophases des cristaux liquides

Il existe de nombreuses applications pour les cristaux liquides : ils entrent entre autres dans la composition des écrans LCD, de certains thermomètres ou encore des billets de banques.

Tensioactifs

bannière definition

Définition

Tensioactif :

Un tensioactif est un matériau qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces (par exemple de l’eau et de l’huile). Les tensioactifs permettent la solubilité de deux surfaces non-miscibles. Cette caractéristique est due aux molécules amphiphiles dont ils sont composés.

bannière definition

Définition

Molécule amphiphile :

Les molécules amphiphiles ont deux polarités différentes. Cela implique qu’une extrémité est hydrophobe (apolaire) et l’autre est hydrophile (polaire).

Il existe plusieurs types de tensioactifs :

  • les émulsions,
  • et les agents moussants.
bannière definition

Définition

Émulsion :

Une émulsion est le résultat obtenu par l’association de deux liquides non miscibles et d’un tensioactif. Ils ne seront pas séparés en phases mais l’un sera présent sous forme de gouttes au sein de l’autre.

bannière definition

Définition

Agent moussant :

Un agent moussant est un tensioactif qui permet l’émulsion du gaz contenu dans l’air au sein de l’eau.

Les adhésifs

bannière à retenir

À retenir

L’adhésion entre deux éléments dépend avant tout de la surface de contact. Plus elle est importante plus les deux objets vont adhérer l’un à l’autre.

Dans le cas de la plupart des solides, de petites aspérités superficielles empêchent une mise en contact suffisante pour provoquer l’adhésion.

  • C’est pour cette raison que les colles et rubans adhésifs sont composés de matériaux soit mous, soit liquides.

On peut ajouter à ce phénomène mécanique les propriétés chimiques de certaines colles : elles font fondre les surfaces en contact pour les souder l’une à l’autre.