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MATIERE MOLLE Notes de cours - msc.univ-paris elias/ENSEIGNEMENT/Matiere_Molle.pdf · PDF fileMATIERE MOLLE Notes de cours 2017 - 2018 Florence Elias ... ou dans le domaine de la

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  • M1 Physique et Applications

    MATIERE MOLLE

    Notes de cours

    2017 - 2018

    Florence [email protected]

    01 57 27 62 50

    Document realise avec laide de Francois Graner et Evelyne Kolb.

  • 2

    Plan du cours

    Chapitre 1 : Les objets mous : introduction qualitative

    Chapitre 2 : Interactions entre molecules, surfaces ou particules :van der Waals, electrostatique, DLVO

    Chapitre 3 : Une interface : capillarite, loi de Laplace

    Chapitre 4 : Stabilite des dispersions

    Chapitre 5 : Mouillage, gravite

  • Chapitre 1

    Les objets mous : introductionqualitative

    Les materiaux mous sont tout autour de nous : il sagit de pate dentifrice, de mayonnaise, demousse de savon, mais aussi de materiaux biologiques (sang, mucus, larmes, tissus biologiques),ou geologiques (dunes de sable ou cours deau charges en sediments). Leur etude conduit donc a denombreuses applications industrielles, ou dans le domaine de la biophysique et de la geophysique.Dun point de vue fondamental, nous verrons que le comportement macroscopique tres riche desmateriaux mous a son origine dans des proprietes physiques que lon peut decrire a plusieursechelles de longueur, du microscopique au macroscopique.

    Les objets de la matiere molle possedent des comportements complexes, parfois antagonistes.Un meme materiau, par exemple du dentifrice, de la mayonnaise ou un tas de sable est tantotsolide, tantot liquide en fonction de la contrainte mecanique appliquee. Il peut egalement etretransparent ou turbide selon quil est cisaille ou non (comme une solution micellaire).

    Sils sont composes de plusieurs phases, leurs proprietes macroscopiques ne sont pas une simplemoyenne de celles des deux phases : la mousse est blanche alors que leau et lair sont transparentes(proprietes optiques complexes), elle possede une elasticite alors que lair et leau sont fluides(proprietes mecaniques complexes), le son sy propage a une vitesse de quelques dizaines de metrespar seconde, plus lentement que dans chacune des phases constitutives (proprietes acoustiquescomplexes). Ainsi, les materiaux mous qui font lobjet de ce cours sont egalement appeles fluidescomplexes.

    Ce comportement complexe est generalement lie a lexistence de deux phases imbriquees lunedans lautre, qui se structurent a une echelle intermediaire entre lechelle moleculaire et lechellemacroscopique : la mousse est structuree a lechelle des bulles, le sang est constitue de globulesrouges en suspension dans le plasma sanguin, le dentifrice est une suspension de grains solidesdans un fluide.

    Pour decrire ces comportements complexes, qui sont des etats dequilibre du systeme, on aurarecours a la thermodynamique (minimisation dun potentiel thermodynamique).

    Les systemes diphasiques possedent beaucoup dinterfaces. Ainsi, la physicochimie, cest-a-dire la composition chimique du materiau et les proprietes physiques associees, intervient pourcomprendre la stabilite des interfaces.

    Parmi les comportements macroscopiques complexes, on attachera une importance parti-culiere au comportement mecanique, qui est principalement celui vers lequel se tournent lesapplications industrielles.

    3

  • 4 CHAPITRE 1. LES OBJETS MOUS : INTRODUCTION QUALITATIVE

    On considerera dans ce cours des phenomenes qui ont lieu sur Terre, a temperature et pressionnormales : T ' 300 K et P 105 Pa.

    Lobjet de ce premier chapitre est de dresser un panorama qualitatif de la matiere molle. Ilintroduit des objets mous et leurs classifications, les notions de base et les ordres de grandeur.Tous les elements introduits dans ce chapitre seront par la suite detailles dans les chapitres sui-vants.

    Bibliographie classee par niveau : grand public, etudiant-es, recherche

    Science et Vie : hors-serieLa matiere etrange, septembre 2004.

    P.-G. de Gennes, J. Badoz, Les objets fragiles, Plon Pocket, Paris 1994.

    H. This, Casseroles et eprouvettes, Belin, Paris 2002.

    N. Constans, F. Graner, Comment devenir invisible... et autres experiences a faire chez soi,Dunod/ La Recherche, Paris 2010.

    R. Lehoucq, J.-M. Courty, E. Kierlik, Les lois du monde, Belin, Paris 2003.

    D. Dusenbery, Life at small scale, Scientific American Library, New York (USA) 1996.

    B. Cabanne, S. Henon, Liquides : solutions, dispersions, emulsions, gels, Belin, Paris 2003.

    I. Hamley Introduction to Soft Matter, Wiley, Chichester (UK) 2007

    R. Jones, Soft Condensed Matter, Oxford University Press, Oxford (UK) 2011

    J. Berg, An Introduction to Interfaces & Colloids, World Scientific, 2010

  • 1.1. STRUCTURE 5

    1.1 Structure

    1.1.1 Echelles de longueur

    Echelle intermediaire :

    On distingue trois grandes familles dechelles caracteristiques : Lechelle macroscopique : 1 10 mm : cest lechelle humaine, observable a loeil nu. Lechelle microscopique : 0, 1 10 nm : cest la taille dun atome ou dune molecule. Lechelle mesoscopique : 0, 1 100 m est lechelle intermediaire entre le niveau des atomes etnotre echelle.

    Les materiaux mous possedent generalement une structure interne a lechelle mesoscopique.Cette echelle intermediaire intervient : par lexistence de gros objets par des objets petits qui sassemblent par une modulation, a grande echelle, de lordre de la structure

    Ordres de grandeur :

    La taille des objets consideres ici est la suivante :

    un atome 1010 mune molecule 109 m

    une macromolecule 108 106 mune particule collodale 108 106 mune vesicule (liposome) 107 104 m

    une cellule 106 104 mun grain 106 103 m

    une goutte 105 103 mune bulle 105 102 m

    Pour visualiser ces objets on a recours a differentes techniques :

    microscopie a force atomique 1010 108 m (interaction entre une pointe et un substrat)microscopie electronique 108 106 m

    microscopie optique) 106 104 moeil 104 100 m

    Quest-ce qui fixe ou limite la taille de ces objets ?

    1.1.2 Gros objets

    Les gros objets, cest-a-dire gros devant la taille atomique. Ces gros objets sont soit desmacromolecules (polymeres, molecules dADN, proteines), qui peuvent atteindre des tailles delordre du micrometre, soit des incorporations dune phase (solide, liquide ou vapeur) dans uneautre. On parle alors de milieu divise, parmi lesquels on definit plusieurs sous-groupes.

    Cas des milieux divises :

    Les emulsions sont des gouttes liquides dans du liquide, les mousses liquides sont des bulles dair dans du liquide,

  • 6 CHAPITRE 1. LES OBJETS MOUS : INTRODUCTION QUALITATIVE

    les collodes sont des grains solides dans du liquide.

    La liste des milieux complexes que lon obtient en dispersant lune des trois phases (solide,liquide, gaz) dans une matrice (solide, liquide, gaz) se presente sous la forme dun tableau 33 :

    dans : solide liquide gazdisperser :

    solide (micro- ou nano- collode (fumee,composite) (granulaire humide) granulaire sec)

    liquide gel emulsion (aerosol)

    gaz aerogel mousse liquide (melange)(mousse solide)

    (poreux)

    (en italique, ce qui ne correspond pas a de la matiere molle)

    Comme ils sont diphasiques, ces milieux divises sont caracterises par un grand rapport surfacesur volume.

    rSoient N objets de taille r dans une matrice.La surface totale de leurs interfaces est S N r2Leur volume total est V N r3Donc le rapport surface sur volume : S/V = 1/r augmentequand r diminue.

    Il y a donc une grande surface dans un petit echantillon, et par consequent une grande energiede surface (qui est lenergie necessaire pour creer une interface).

    Ainsi, contrairement aux solides et liquides simples : la matiere molle contient beaucoup dinterfaces : les proprietes physiques des interfaces jouentdonc un role crucial dans son comportement ; elle est heterogene aux echelles intermediaires ; dou le role de limagerie pour letudier ; elle diffuse la lumiere. Il y a perte dinformation de direction (par refraction si ce sont des ob-jets plus grands que le micron, par diffraction si cest plus petit que le micron). Mais attention :trouble ne veut pas dire absorbant ! Le pastis, le brouillard, le lait, la mousse sont des melangesde deux materiaux transparents (donc pas absorbants), mais on ne peut pas voir a travers.

    1.1.3 Ordres

    Entre le solide cristallin, parfaitement ordonne a lechelle atomique, et le gaz, desordonne, ilexiste de nombreux etats intermediaires de la matiere, qui se caracterisent par leur degre dordremoleculaire.

  • 1.2. THERMODYNAMIQUE 7

    Cas classiques :

    cristal : ordre de translation (position) et de rotation (orientation) des molecules constitutives.Cet ordre est conserve sur de grandes distances (ordre a longue portee). amorphe (verre ou liquide) : la distance entre atomes (ou entre molecules) est fixee, mais lordrede translation et dorientation chutent exponentiellement sur quelques distances atomiques gaz : aucun ordre

    Combinaisons des cas classiques :

    anisotropie : lordre peut decrotre lentement dans une direction et vite dans une autre lordre de translation peut decrotre plus (ou moins) vite que lordre de rotation exemple des cristaux liquides : les cristaux liquides nematiques sont constitues de moleculesallongees en forme de batonnets ; ils nont pas dordre de position (dou leur aspect liquide),mais ont un ordre dorientation : les batonnets sorientent parallelement les uns aux autres. Lescristaux liquides smectiques ont en plus un ordre de position dans une direction de lespace : ilsse disposent en couches regulierement espacees dans cette direction, mais restent fluides dans leplan des couches. Voir les schema ci-dessous, ou les batonnets representent des molecules.

    r

    Cristalliquidenmatique

    Cristalliquidesmectique

    Cas des materiaux mous :

    les fluctuation