Quel est le point commun entre les dénommés Gaïa, Herschel, et JWST ? Ce sont des missions d’astronomie spatiale, dont l’objectif est d’observer différents objets célestes avec de fortes exigences en termes de qualité d’image. Cependant, le lancement et la mise en orbite du satellite, puis l’environnement hostile dans lequel le télescope spatial va évoluer, induisent de nombreuses contraintes sur les matériaux qui composent les instruments.

Comment choisir les matériaux les mieux adaptés à la construction d’instruments d’optique spatiale toujours plus performants ?

Parties des programmes associées :

• Programme de la spécialité physique-chimie de terminale générale : Ondes & signaux
• Programme de sciences physiques, complément des sciences de l’ingénieur de terminale générale : Ondes & signaux
• Programme d’enseignement scientifique de première générale : Une longue histoire de la matière – Les cristaux
• Programme de première de physique chimie en laboratoire de STL Image photographique
• Programme de terminale Bac professionnel : Spécialité 4 – Produire une image

En 2019, les débats sur la transition énergétique étaient déjà très nombreux, les enjeux principalement environnementaux portant au premier rang sur la lutte contre le changement climatique. Il faut maintenant tenir compte des modifications apportées par la pandémie de COVID-19 et de ses conséquences économiques et sociales.

Pour le Conseil Mondial de l’Énergie il y a trois objectifs principaux :

• l’accès physique à l’énergie : ce qui n’est pas toujours le cas dans les pays en développement, auquel il faut ajouter comme c’est le cas actuellement dans les pays développés, la précarité énergétique ;
• la sécurité des approvisionnements énergétiques qui peut dépendre de risques géopolitiques et de l’accessibilité à certaines matières premières comme on peut le voir actuellement ;
• l’acceptabilité environnementale associée à la lutte contre le changement climatique mais aussi à la perte de la biodiversité, aux pollutions locales et à la montée du stress hydrique.

Mais il ne faut pas oublier l’acceptabilité sociale de la politique mise en oeuvre et ses conséquences économiques et sociales.

Parties des programmes associées :

• Programme d’enseignement scientifique de terminale générale :
  • thème 1 : sciences, climat et société ;
  • thème 2 : le futur de l’énergie.
• Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STL2D : énergie-énergie chimique.
• Programme de physique-chimie et mathématiques de terminale STL : énergie, conversion et transfert, énergie électrique.

Dans le dernier quart du XVIII^e siècle, en Europe, l’étude de l’air de l’atmosphère qui est, à cette époque, considéré comme un corps simple ou élément, est un moment important de la chimie. De nombreux chimistes se sont intéressés à cet air atmosphérique mais seuls trois noms de chimistes sont passés à la postérité. Ils ont montré qu’il s’agissait d’un mélange de deux gaz.

Le chimiste suédois Carl Wilhelm Scheele (1742-1786), aurait préparé le dioxygène avant 1773 mais ses résultats ne sont publiés qu’en 1777 dans son « Traité chimique de l’air et du feu ». C’est un expérimentateur talentueux, très habile en analyse chimique. Dans un mémoire intitulé « Sur la composition chimique de l’air », paru en 1779, il écrit que l’air est composé de deux fluides élastiques distincts : « l’air vicié ou corrompu » (diazote) puisqu’il est absolument dangereux et mortel et « l’air pur ou du feu » (dioxygène) qui entretient la respiration.

Joseph Priestley (1733-1804), chimiste anglais, observe le 1er août 1774 que l’oxyde de mercure chauffé laisse dégager un « air » inconnu qui entretient les combustions et est insoluble dans l’eau. Il vient à Paris et parle de ses expériences avec Lavoisier. Le 8 mars 1775, il constate que « l’air déphlogistiqué » (dioxygène) entretient la respiration, il communique ce résultat à la Royal Society de Londres le 25 mai.

Antoine Laurent Lavoisier (1743-1794) étudie la calcination de l’étain en vase clos ce qui le conduit à isoler le diazote, appelé « mofette résiduaire ». Il utilise le terme d’« air vital » pour le dioxygène. Il remarque que l’étain s’est transformé en oxyde et que sa masse a augmenté tandis que la quantité d’air a diminué. Il entreprend des mesures et observe que l’augmentation du poids du métal correspond à la diminution du poids de l’air. Le 25 avril 1775, Lavoisier présente, à l’Académie des sciences de Paris, une communication sur « la nature du principe qui se combine aux métaux au cours de la calcination en augmentant de poids ».

Le nom oxygène, donné par Lavoisier, en 1777, est formé à partir de deux racines grecques oxys qui signifie piquant en référence au goût des acides et gonos qui veut dire producteur d’acides car, à cette époque, les chimistes pensaient que tous les acides contenaient de l’oxygène.

Les travaux entrepris par ces trois chimistes se complètent et s’enrichissent mutuellement, la partie quantitative est due à Lavoisier qui écrit, dans le « Traité élémentaire de chimie » paru en 1789, « Cet air que nous avons découvert presqu’en même temps Priestley, Scheele et moi-même… »

De gauche à droite : Carl Wilhelm Scheele (domaine public, Wikimedia),
Joseph Priestley (par Ozias Humphrey - Science History Institute, domaine public, Wikimedia),
Antoine Laurent Lavoisier (par Jacques-Louis David - Metropolitan Museum of Art, domaine public, Wikimedia)

Pour en savoir plus :

• Une lettre inédite de Scheele à Lavoisier sur Mediachimie.org
• La chimie enseignée par la biographie de ses fondateurs : R. Boyle, Lavoisier, Priestley, Scheele, Davy, etc., de Ferdinand Hoefer (1811-1878) sur Gallica/BNF
• Œuvres de Carl-Wilhelm Scheele (1742-1786) accessibles sur data.bnf.fr
• Traité chimique de l'air et du feu , par Charles Guillaume Scheele,... avec une introduction de Torbern Bergmann,... ouvrage traduit de l'allemand par le baron de Dietrich,...  de Carl-Wilhelm Scheele (1742-1786) sur Gallica/BNF
• Joseph Priestley (1733-1804) sur le site de la SCF

Le changement climatique nous confronte à deux défis majeurs. Le premier est de pouvoir répondre à une consommation énergétique mondiale en hausse, le second est de diminuer l’impact anthropique sur le climat pour limiter le réchauffement climatique à 2 °C à la fin de ce siècle, voire 1,5 °C avec des efforts encore plus poussés, engagements signés par 175 pays lors de la COP21 à Paris en 2015.

Pour y parvenir, il faut limiter massivement les émissions de gaz à effet de serre, dont celles du dioxyde de carbone CO₂, dans l’industrie, dans le transport et dans la production de l’énergie.

 

Problématique :

• Quels sont les enjeux énergétiques à l’horizon 2035 ?
• Le dihydrogène (H₂), essentiel aujourd’hui… indispensable demain ?
• Comment stocker l’électricité en utilisant le dihydrogène ?
• Comment utiliser le dihydrogène dans les transports ?
• Quels progrès doivent être réalisés à l’avenir pour promouvoir le stockage d’énergie avec le dihydrogène ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

On dénombre 14 millions d’accidents vasculaires cérébraux (AVC) par an dans le monde ! L’implantation de matériaux biocompatibles pour libérer des molécules pharmacologiques directement dans le cerveau permet alors de reconstruire des tissus. Or les hydrogels sont des réseaux 3D de chaînes polymériques réticulés gonflés en eau jusqu’à 80-90 % en eau. Ils sont injectables car liquides à la température corporelle ; de plus ils sont dégradables, non toxiques et peuvent être chargés en molécules thérapeutiques. Le polymère utilisé est un copolymère bloc entre le PLA (acide polylactique pour le caractère hydrosoluble), le PNIPAM (poly(N-isopropylacrylamide) pour le caractère injectable) et le PEG (polyéthylène glycol pour la prise en eau) ; il y a autoassemblage à température ordinaire avec un cœur hydrophobe de PLA et une couronne hydrophile de PNIPAM et de PEG. Ce gel peut solubiliser à la fois des produits hydrophiles et hydrophobes : ainsi le riluzole, introduit dans le gel qui, injecté dans le cerveau, inhibe la libération de glutamate toxique pour les neurones. Les essais cliniques sont encore au tout début du processus.

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Certains volcans en particulier en Éthiopie et dans l’ile de Java, émettent des flammes bleu azur au-dessus de la lave qui coule sur les flancs des volcans. Ce n’est pas de l’incandescence du soufre présent qui donnerait des couleurs du rouge au jaune vers 700 à 1500 °C, alors qu’ici les températures avoisinent les 10 000 degrés ! Il est montré qu’il s’agit de luminescence. H₂S présent dans les gaz d’évacuation des volcans s’oxyde à l’air pour donner du soufre qui se dimérise en S₂ avec émission de lumière vers 495 nm dans le bleu !

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La startup Lactips, fondée en 2014, présente ici une matière plastique biosourcée à base de protéine : la caséine du lait. Le point de départ est constitué de granulés de caséinate de sodium (dérivé soluble de la caséine), le procédé de polymérisation en présence d’un plastifiant mécanique est décrit. On obtient un film biodégradable, biosourcé, compostable, soluble à chaud et à froid ; il est utilisé dans les films d’emballage hydrosolubles et comestibles… La fabrication est de 400 tonnes par an et remplace de plus en plus le PVA ( polyalcool vinylique).

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La startup I.CERAM présente ici des céramiques à base d’alumine de grande porosité, ayant une grande résistance à la pression et particulièrement bio-inertes. Ainsi l’implantation pour remplacer un sternum fragilisé par des métastases osseuses a été une première mondiale en 2015 ! Ces supports peuvent être chargés en principe actif et introduits dans l’organisme pour relarguer de manière contrôlée le médicament. Ainsi en 2016 un sternum chargé en gemtamicine (antibiotique utilisé pour traiter la mediastinite qui est une infection rare et grave de l’espace du thorax derrière le sternum).

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L’électronique imprimée intervient dans des domaines variés :: automobile, objets connectés, biomédical, packaging. La flexibilité de ces matériaux a été d’abord appliquée à la conception des diodes électroluminescentes organiques (OLEDs) et des cellules photovoltaïques organiques (OPV) pour affichage. Les encres utilisées sont à base d’argent sous forme de nanoparticules (NP) :; elles sont conductrices à toute température, durables et performantes bien plus que les encres classiques à base de microparticules. Des résultats sont présentés par la startup GenesInk créée depuis 2010.

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La prolifération des moustiques tigres est devenue un problème de santé publique avec les risques des maladies de la dengue et du chikungunya. Les insecticides trop toxiques sont parfois remplacés par des huiles essentielles certes répulsives mais lorsqu’elles sont utilisées à des doses trop fortes conduisent souvent à des allergies. Par exemple l’huile essentielle citronnée à base de citronellal est irritante pour la peau et aussi allergène. L’huile essentielle de thym donne des brûlures cutanées, elle est agressive pour les muqueuses buccales et dangereuse pour les abeilles ! L’auteure donne 28 références toutes utiles pour un bon usage des huiles essentielles au service d’une « intelligence écologique ».

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