Cours de tleS – Matériaux : structure et propriété – Terminale
Il existe un lien entre la structure moléculaire ou électronique de certains matériaux et leurs propriétés. Ces structures permettent différentes interactions : interaction électrique, interaction de Van der Waals, changement de niveaux d’énergie électronique par absorption de chaleur, etc. et ces interactions expliquent des propriétés ou des formes particulières de ces matériaux.
Définitions
Bande de conduction: bande de plus basse énergie qui n’est pas entièrement remplie d’électrons. Ce sont les électrons de cette bande qui assurent la conduction du courant électrique.Bande valence : bande de plus haute énergie entièrement remplie d’électrons.
Bande d’énergie: intervalle de valeurs d’énergie que peut avoir un électron dans la structure d’un solide. Elle peut accueillir un nombre limité d’électrons.
Gap : intervalle d’énergie interdite entre la bande de valence et la bande de conduction.
Membrane cellulaire: structure fermée de grande taille permettant de séparer et de contrôler les échanges entre un milieu intérieur et un milieu extérieur.
Micelle: structure sphérique formée par un assemblage de tensioactifs.
Mousse: micelles ayant piégé des bulles d’air dans un solvant.
Pores: trous de différentes tailles permettant des échanges entre les milieux intérieur et extérieur.
Tensioactif: composé chimique présentant une chaîne carbonée apolaire, dite hydrophobe, et une extrémité polaire, dite hydrophile.
Cristaux et liquides
- Certains matériaux ont la possibilité d’exister dans un état intermédiaire entre l’état solide et l’état liquide dans un certain intervalle de température. C’est l’état mésomorphe (signifiant forme intermédiaire) encore appelé cristal liquide. Dans cet état particulier, les molécules sont mobiles (comme dans un liquide) tout en étant organisées (comme dans un solide) : une orientation identique, des empilements, etc.
- Les molécules mésogènes (formant des cristaux liquides) ont en commun d’avoir une partie de leur structure rigide et des chaînes carbonées flexibles. Cette structure rigide, en partie plane, est souvent formée d’un système de liaisons doubles conjuguées contenant des cycles, appelé système aromatique. Les interactions entre ces systèmes aromatiques assurent une certaine disposition des molécules les unes par rapport aux autres, entraînant ainsi l’organisation de l’état mésomorphe en disques ou en bâtonnets.
Matériaux conducteurs, supraconducteurs, isolants ou semi-conducteurs
- Dans un atome isolé. l’énergie des électrons ne peut posséder que des valeurs discrètes et bien définies. À l’inverse, dans le cas d’un électron parfaitement libre, elle peut prendre n’importe quelle valeur.
- Dans un solide, la situation est intermédiaire : l’énergie d’un électron peut prendre n’importe quelle valeur à l’intérieur de certains intervalles. On dit que le solide possède des bandes d’énergies permises, séparées par des bandes interdites ou gap.
- On distingue donc trois cas selon le remplissage des bandes et la valeur du gap.
- Premier cas : la bande de conduction est partiellement remplie. Le solide possède donc des électrons susceptibles de participer aux phénomènes de conduction : il est conducteur.
- Deuxième cas : la bande de conduction est vide et le gap est grand (de l’ordre de 10 eV, par exemple). Le solide ne possède alors aucun électron capable de participer à la conduction. Le solide est isolant.
- Troisième cas : 1a bande de conduction est vide mais le gap est faible (de l’ordre de 1 eV). Le solide est donc isolant à très basse température, mais une élévation de température permet de faire passer des électrons de 1a bande de valence à la bande de conduction. La conductivité augmente avec la température : c’est la caractéristique d’un semi-conducteur.
- Lorsque le solide est conducteur, et pour des températures très basses, les électrons de conduction peuvent se coupler. Ce couplage a pour effet d’annuler la résistance du matériau : ce dernier devient supraconducteur.
Matériaux photovoltaïques
- Les semi-conducteurs tels que le silicium ont la particularité de pouvoir absorber des rayonnements lumineux. Leurs électrons peuvent se déplacer dans le matériau sous l’effet de l’énergie ainsi absorbée. Mais ce déplacement est désordonné et ne permet pas d’obtenir un courant électrique. Pour cela, on dope le silicium avec des atomes contenant un nombre différent d’électrons de valence. Si l’atome a plus d’électrons que le silicium, on parle de dopage N (négatif). Si l’atome a moins d’électrons que le silicium, on parle de dopage P (positif).
- Un panneau photovoltaïque est composé de deux parties : l’une avec un dopage N et l’autre avec un dopage P. lorsque le silicium dopé N est soumis aux rayonnements du Soleil, ses électrons vont se déplacer, à travers un circuit extérieur vers le silicium dopé P, comme une pile, créant un courant électrique orienté.
Colles et adhésifs
- Le côté collant d’un ruban adhésif ou d’une étiquette autocollante est un solide mou : au contact d’une surface rugueuse, ce solide mou se déforme et vient épouser la surface. Une colle est liquide et mouille l’ensemble de la surface rugueuse.
- On classe les adhésifs selon le type de solvant qu’ils utilisent, selon leur composition chimique et selon les matériaux qu’ils sont aptes à relier. Les adhésifs destinés à du bois, du carton ou du papier sont relativement épais et peu fluides. Leur principe d’action est basé sur le déploiement de molécules longues qui vont s’accrocher aux aspérités de la texture du matériau support.
