Schéma simple animé sur l’énergie de l’eau.

Objectif : Présenter de façon simple comment on peut récupérer l’énergie de l’eau en mouvement.
Niveau : Contenu simple et clair. Abordable pour tous niveaux de collège.

Schéma simple animé sur le principe de la géothermie

Objectif : Présenter de façon très simplifiée la source d’énergie naturelle que représente la géothermie. Contenu simple et clair,
Niveau : Abordable pour tous niveaux de collège
 

Production d’énergie par la force de l’eau (centrales hydrauliques), la force du vent (éoliennes), le rayonnement solaire (panneaux photovoltaïques).

Objectif : Aborder de façon simplifiée les principales sources d’énergies renouvelables.
Niveau : Contenu simple et clair. Pour tout niveau de collège
 

Le méthane issu des fermentations anaérobies a été découvert par Volta en 1776. Il fait un retour remarquable dans l’actualité comme ressource énergétique. En effet par la dégradation des matières organiques par des bactéries on peut transformer les décharges d’ordures ménagères en sources de gaz qui peut, après purification, être brûlé à travers le réseau de distribution. L’article fait le point sur les « digesteurs » existants et ceux qui pourraient être créés grâce à la loi sur la transition énergétique. Les divers procédés sont cités ainsi que les applications à partir des résidus des industries agroalimentaires, des boues des stations d’épuration… L’avenir du bio gaz en termes d’économies d’énergie en MTeP et de programmes de recherche est discuté.

L’amidon est une matière première naturelle pour de nouveaux polymères, biosourcés et biodégradables (compostage), aux architectures moléculaires spécifiques et aux applications multiples de l’électronique au biomédical.

L’amidon, un polymère naturel

L’amidon est extrait de la biomasse végétale (graines de céréales, en particulier de maïs, légumineuses, tubercules comme la pomme de terre…).

Constitution de l’amidon

C’est un polysaccharide constitué d’unités de D-glucose (C₆H₁₀O₅)_n (a).

Deux types de macromolécules sont présents dans la structure de l’amidon : l’amylose (b) de structure linéaire responsable des parties cristallines et l’amylopectine (c) de structure ramifiée qui donne des zones amorphes.

Influence de la température et de l’humidité

La température de transition vitreuse T_g de l’amidon (passage de l’état rigide et cassant à l’état souple et malléable) est d’environ 200°C, ce qui le rend dur à température ambiante. Ces propriétés peuvent être modifiées par insertion de molécules entre les chaines macromoléculaires.

Ainsi l’eau et surtout le glycérol sont utilisés comme plastifiants. Le matériau obtenu a alors une T_g plus basse et possède ainsi un comportement thermoplastique ce qui permet un travail de mise en forme plus commode pour l’extrusion, l’injection et le thermo-moulage.

Avec un excès d’eau, l’amidon gonfle irréversiblement à partir de 60°C, l’amylose puis l’amylopectine se solubilisent progressivement par gélatinisation. Par refroidissement on obtient alors des gels exploités dans l’industrie alimentaire pour texturer les produits [1].

La sensibilité de l’amidon à l’humidité est à la fois source de dégradation mais, bien exploitée, peut aussi servir à des applications innovantes.

Exemples d’applications

On cherche par exemple à réaliser des polymères à mémoire de forme sensibles à la température et à l’humidité. La transition d’une conformation à une autre est stimulée par la teneur en eau ou par la température du milieu. Il est ainsi conçu des dispositifs qui peuvent se déployer dans les conditions corporelles pour des applications biomédicales en chirurgie. Par exemple, l’amidon mélangé avec exactement 20% de glycérol peut donner des tubes ou même des stents à mémoire de forme dans des traitements post-opératoires. Il est aussi utilisé comme traceur de température ou d’humidité pour des emballages biodégradable intelligents.

Dans un gel d’amidon, l’eau peut être échangée avec de l’éthanol. Après extraction de celui-ci par du CO₂ supercritique, on obtient un aérogel. Cela conduit à des mousses solides de faible densité inférieure à 0,15 g.cm^-3, très poreuses et présentant des grandes aires spécifiques de plus de 300 m²/g. Elles sont utilisées pour former des microbilles pouvant encapsuler par exemple des principes actifs de médicaments ou des arômes [2].

Vers de nouveaux polymères biosourcés après fractionnement et bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon met en jeu différentes étapes. Une d’entre elles consiste en une hydrolyse enzymatique du glucose à partir duquel on obtient un mélange d’acide lactique D et L. Une autre met en jeu une fermentation bactérienne contrôlée stérosélective permettant d’isoler l’un des stéréo-isomères D ou L de l’acide lactique. Le stéréoisomère est alors séparable du milieu par distillation.

Exemples de polymères

La dimérisation de l’acide lactique conduit à des lactides (esters cycliques) qui par ouverture de cycles conduisent à des poly(acide lactique), PLA, de stéréochimie contrôlée.

Le contrôle de la stéréochimie des (D)-PLA et (L)-PLA permet d’obtenir des polymères cristallisés à température de fusion T_f et température de transition vitreuse T_g élevées. Par conséquent ils sont rigides à température ambiante avec, par exemple, des applications dans l’emballage alimentaire et le biomédical [3].

Le PLA est le principal polyester biodégradable et biosourcé produit actuellement à 280 kt/an.

Le PLA possède une cinétique de biodégradation rendue plus rapide par compostage industriel au-dessus de 50°C [4]. Comme l’amidon thermoplastique souffre de défauts mécaniques pour des applications de matériaux de structure, des mélanges appelés « alliages » de polymères sont alors nécessaires, notamment avec des polymères biosourcés tels que le PLA.

On obtient alors des matériaux dont les applications commerciales sont des objets à courte durée de vie tels que les sacs biodégradables en quelques mois [5], alors que la durée de vie d’un sac plastique en polyéthylène d’origine pétrolière est de 200 ans !

(a) D glucose en représentation de Fischer

(b) Amylose

(c ) amylopectine

acide lactique

Pour approfondir

Les références ci-dessous, sélectionnées sur ce thème et issues du site Mediachimie.org ou de la revue L’Actualité chimique, permettront d’obtenir des informations complémentaires.

• [1] Valorisation biologiques des agro-ressources, Pierre Monsan, colloque Chimie et nature (2012)
• [2] L’amidon et les matériaux, où en est-on ? « Un point sur », Denis Lourdin, L’Actualité chimique, n°411 (octobre 2016) pp. 43-44
• [3] Les polymères biodégradables et biosourcés : des matériaux pour un futur durable, Luc Avérous, L’Actualité chimique, n°375-376 (juillet-août 2013) p. 83-90
• [4] Polymères biosourcés : principaux enjeux et perspectives, L. Avérous, S. Caillol et H. Cramail, L’Actualité Chimique, N° 422-423(oct-nov 2017) p. 68-75
• [5] Sus aux sacs, chronique par Jean-Claude Bernier, L’Actualité Chimique, n°407 (mars 2017) pp. 5-6

Le retour de la spectroscopie Raman grâce aux progrès de la miniaturisation. La spectroscopie Raman, du nom du physicien indien Chandrashekhara Venkata Râman, prix Nobel de physique en 1930, est une spectroscopie optique qui étudie les vibrations moléculaires en complément de la spectroscopie d’absorption infrarouge (IR).

Quelques rappels sur le principe de la spectroscopie Raman

En effet, en spectroscopie Raman, c’est la lumière diffusée qui est étudiée. Cette dernière comprend alors deux types de photons : les premiers, majoritaires, dits de Rayleigh, ont une énergie égale à celle des photons incidents ; les seconds, en quantité infime (1/10⁹ ), dits de Raman ont une énergie modifiée par les transitions vibrationnelles moléculaires.

En IR, c’est la variation du moment dipolaire moléculaire qui est nécessaire pour assurer une transition entre deux niveaux vibrationnels.

En Raman, c’est la variation de la polarisabilité de la molécule qui est requise pour assurer une transition entre deux niveaux vibrationnels.

Rappelons que la polarisabilité est l’aptitude avec laquelle le nuage électronique moléculaire peut se déformer sous l’action d’un champ électrique appliqué, or une onde lumineuse possède un champ électrique susceptible de produire une variation de la polarisabilité de la molécule. Ainsi ce sont les molécules covalentes qui mettent en jeu un grand nombre d’électrons, en particulier les matériaux polymères qui donneront des bandes intenses en Raman.

La spectroscopie Raman est observable pour des rayonnements incidents allant de l’UV au proche IR, ce qui permet donc des analyses sans contact. La résolution y est de l’ordre du micron alors qu’en IR elle n’est que d’une centaine de microns.

Quelques domaines d’applications

Les progrès en optique et électronique que sont l’utilisation d’une lumière monochromatique polarisée avec les lasers, le transport dans des fibres optiques, des appareils d’interférométrie à transformée de Fourier et des systèmes de détection CCD (Récepteurs à transferts de charge, en anglais Charge Coupled Device) ont permis depuis dix ans un renouveau de la spectroscopie Raman dans différents domaines d’application. D’autre part, la diffusion Raman est utilisée pour la qualification des spectrofluorimètres. Le rapport du signal sur bruit de la diffusion Raman permet de caractériser la sensibilité d’un spectrofluorimètre.

Dans l’Art

Cette technique permet des datations d’objets anciens, sans faire appel aux techniques lourdes par exemple de l’accélérateur AGLAE du Musée du Louvre. Citons pour cette application dans l’art les ressources suivantes :

• Peintures rupestres à conserver, vidéo CNRS images, interview de Philippe Colomban
• Analyses sans contact sur des céramiques anciennes, Philippe Colomban, L’Actualité Chimique,  n° 263 (février 2003) pp. 12-17

Pour la détection de fraudes

Cette application a été illustrée par des exemples à l’occasion de différents colloques organisés par la Fondation Internationale de la Maison de la Chimie : « Chimie et Expertise : sécurité des biens et des personnes » en 2014 et « Chimie, dermo-cosmétique et beauté » en 2016.

On découvrira ainsi avec intérêt :

• Fraudes et objets d’art, conférence et article de Philippe Walter (2014)
• Les nouvelles techniques d’investigation des explosifs, conférence et article de Bruno Vanlerberghe et Pierre Charrue (2014)
• L'aventure des produits inoffensifs : une approche pionnière de la sécurité en cosmétique, conférence et article de Jacques Leclaire (2016)

Analyses structurales

Plusieurs ressources récentes illustrent tout particulièrement ce thème :

• sur le site Mediachimie :
  • Hydrates de gaz et hydrogène : ressources de la mer du futur, article de Jean-Luc Charlou
• dans la revue l’Actualité Chimique :
  • Un point sur « L’analyse Raman et le comportement mécanique des polymères », Philippe Colomban, L’Actualité Chimique, n° 412 (novembre 2016) pp. 47-48
  • Travaux pratiques de base pour une formation expérimentale à la fluorescence moléculaire, Michel Aubailly, L’Actualité Chimique, n° 412 (Janvier 2004) pp. 36-39. La diffusion Rayleigh et Raman se superposent à l’enregistrement des spectres d’émission de fluorescence.
  • Le numéro spécial de L’Actualité Chimique d’avril-mai 2017 « Chimie et miniaturisation » présente des articles sur l’analyse des minéraux et des biomarqueurs utilisés pour étudier les planètes, l’utilisation d’appareils portables (laboratoire puce) et même la réalisation d’un spectroscope Raman à bas coût !
  • Préparer sur terre la recherche des traces de vie sur les planètes : l’utilisation des spectromètres Raman miniaturisés, Jan Jehlička et Adam Culka, L’Actualité Chimique, n° 418-419 (mai-juin 2017) pp. 91-95
  • Du capteur Raman miniaturisé au produit pédagogique à faible coût, Thomas Kaufmann et al., L’Actualité Chimique, n° 418-419 (mai-juin 2017) pp. 100-104

Exemple d'un spectrophotomètre "bas coût" compact (20x18x3 cm) développé par le laboratoire LMOPS de Supélec Metz permettant une mesure in situ et rapide !

Venez résoudre quelques énigmes mathématiques liées à la chimie et au sport (niveau intermédiaire).

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Et si la température de la planète montait de quelques degrés, quelles seraient les conséquences sur l’environnement ? On fait un tour d’horizon, continent par continent.

Objectif : Vidéo simple et bien illustrée, permettant aux collégiens de se rendre compte aisément des conséquences qu’aurait un réchauffement climatique important sur les différents continents et océans de la Terre. Et ce, grâce notamment à la localisation géographique des effets.
Niveau : Tous niveaux de collège