Navigation – Plan du site
112 | 2013
Annuaire du Collège de France 2011-2012
Résumé des cours et travaux 112e année
Conférenciers invités

Le four micro-ondes : de la cuisine à la chimie de synthèse

Résumé des conférences du Collège de France (2011-2012)
Eduardo Ruiz-Hitzky
p. 843-847

Notes de la rédaction

Les conférences du professeur invité Eduardo Ruiz Hitzky sont disponibles en vidéo sur le site Internet du Collège de France : http://www.college-de-france.fr/site/clement-sanchez/guestlecturer-2011-2012.htm.

Texte intégral

Le four micro-ondes : de la cuisine à la chimie de synthèse

1La définition du four micro-ondes octroyée par Wikipédia est la suivante : Un four à micro-ondes est un appareil électroménager utilisé principalement pour le chauffage rapide d’aliments, par agitation des molécules d’eau qu’ils contiennent sous l’effet d’un rayonnement micro-onde. Mais si, dès les débuts, cette technologie fut principalement utilisée dans la cuisine et éventuellement dans des applications industrielles très précises, depuis une vingtaine d’années les fours à micro-ondes sont largement utilisés dans les laboratoires de chimie pour activer des réactions chimiques et aussi pour préparer des matériaux dits « avancées » d’un grand intérêt dans les nouvelles technologies. Ce qui initialement semblait une révolution en chimie de synthèse trouve de nos jours un cadre d’application très varié dans les laboratoires et ces méthodes sont rendues chaque fois plus populaires, non seulement au niveau du laboratoire mais aussi dans des procédés industriels. Actuellement l’activation aux micro-ondes est utilisée dans des domaines très divers, depuis la synthèse organique en phase supportée jusqu’à la préparation de nanomatériaux fonctionnels. L’intérêt réside, en général, dans le fait que les réactions assistées par des micro-ondes entraînent une importante diminution du temps de réaction. On observe une amélioration des rendements et, occasionnellement, la sélectivité de certains procédés de fabrication est positivement influencée par cette technologie.

2On peut noter qu’avec l’économie considérable de temps et d’énergie, l’application des micro-ondes pour activer les réactions chimiques peut être considérée comme faisant partie de la « chimie verte ». Ceci devient encore plus évident dans le cas où on évite l’emploi de solvants organiques, toujours chers, toxiques, polluants et dangereux. C’est le cas des réactions de synthèse appelées « en phase sèche », c’est-à-dire en l’absence des solvants habituels. Le réactif organique imprègne alors le solide inorganique qui joue en quelque sorte le rôle du solvant.

3Afin de bien comprendre les mécanismes d’action des micro-ondes il faut considérer tout d’abord les concepts fondamentaux et l’interaction des ondes électromagnétiques avec la matière, en particulier les substances polaires. On souligne d’abord l’importance décisive de l’absorption des micro-ondes par les molécules d’eau, suivie de leur transformation énergétique en mouvements de rotation moléculaire et le réchauffement ultérieur de l’environnement immédiat des molécules d’eau. Des applications sont connues non seulement dans les procédés de chimie de synthèse organique déjà mentionnés, mais aussi bien dans la synthèse inorganique, et spécialement dans la préparation de matériaux céramiques, les réactions à l’état solide, la synthèse hydrothermale, etc. Ces applications seront illustrées avec des exemples sélectionnés. La polymérisation de divers types de monomères et la préparation de composites fonctionnels et structurels, ainsi que la fabrication d’autres matériaux avancés assistées par micro-ondes feront également l’objet de cet exposé.

Les argiles : une matière première pour matériaux avancés

4Dans les plus anciennes civilisations, l’homme a transformé les matières premières dans le but de disposer des matériaux dont il a eu besoin pour la fabrication d’outils, et d’équipements en général. Parmi les matières premières les plus abondantes, universelles et accessibles, l’argile constitue sans aucun doute un exemple particulièrement intéressant. En fait, son utilisation vise des secteurs d’application extrêmement divers, depuis les plus traditionnels, comme la construction jusqu’à des matériaux sophistiqués comme certains catalyseurs hétérogènes, ce qui illustre l’utilité réelle et la grande versatilité de cette famille de silicates.

5Ce n’est pas un lieu commun que d’affirmer qu’une matière première aussi simple que l’argile puisse avoir des applications dites « avancées ». En réalité, elle peut être transformée en des matériaux très divers – voire des nano-matériaux fonctionnels. Dans le but d’illustrer ces concepts, on considérera divers exemples qui constituent une revue concise des matériaux fonctionnels à base d’argiles, qui ont fait l’objet d’études dans notre groupe pendant les dernières années. À l’heure actuelle, ces matériaux présentent un grand intérêt dans des applications diverses : adsorbants spéciaux, catalyseurs spécifiques, matériaux anti-pollution, composants et dispositifs électriques et électrochimiques, membranes sélectives, systèmes photo-actifs ou même, dans la préparation d’adjuvants de dernière génération pour des vaccins.

6Parmi les exemples les plus récents, les argiles ont été à la base de la préparation de nouveaux matériaux multi-fonctionnels, tels que les adsorbants magnétiques ou les graphènes supportés. Les argiles lamellaires, comme la montmorillonite, ou fibreuses, comme la sépiolite, traitées par des ferrofluides sont transformées en matériaux superparamagnétiques capables d’absorber très efficacement des espèces organiques et d’échanger des cations en solution. Leur caractère superparamagnétique facilite la capture du matériau par l’action d’un champ magnétique ce qui permet la séquestration et l’élimination de substances polluantes dans l’eau sans avoir recours à des processus complexes de récupération, tels que la filtration, la centrifugation ou les procédés membranaires. En outre, du graphène supporté par les argiles a été produit par carbonisation contrôlée de composés organiques absolument inoffensifs, tels que le caramel ou la gélatine. Il s’agit d’un nouveau procédé de préparation de matériaux du type « graphenoïde » par une « voie douce » qui mène à des composés carbone-argile avec des propriétés simultanément caractéristiques des deux composantes, c’est-à-dire l’adsorption et la conductivité électrique.

Le « laboratoire intra-cristallin » et la chimie dans les nano-espaces confinés

7Certains solides microcristallins nanoporeux proposent des espaces où l’accès moléculaire est contrôlé par différents facteurs, principalement du type stérique et topochimique. En effet, la taille et la forme, ainsi que la nature chimique des molécules hôtes sont déterminants pour permettre leur passage à travers des nanofenêtres, pour l’agencement des molécules à l’intérieur de ces solides, et dans certains cas pour subir des transformations chimiques inusitées.

8Les cavités dans des solides à organisation tridimensionnelle (3D), typiquement des zéolites et matériaux apparentés, ainsi que les espaces interlamellaires des solides à organisation bidimensionnelle (2D) ou les tunnels des solides du type monodimensionnel (1D), comme les silices mésoporeuses et les argiles fibreuses, constituent une région à l’échelle nanométrique offrant une chimie différente de celle des milieux homogènes conventionnels. On peut parler de véritables laboratoires intra-cristallins, où par exemple les molécules d’eau peuvent se trouver dans un état anomal de dissociation, typiquement 1000 fois plus élevé que dans l’eau à l’état normal, ce qui fait que l’acidité de ces environnements soit assez élevée pour induire des transformations catalytiques inattendues à la surface externe de ces solides.

9Au cours de cette conférence, seront illustrés quelques exemples d’adsorption et de transformation sélective dans des solides ayant des topologies variées. On considèrera le cas de l’interaction de la zéolite ZSM-5 avec le toluène en présence de méthanol. Cette zéolite MFI est très utilisée dans le domaine de la pétrochimie à cause de la dimension de ses canaux structuraux, et à la forte sélectivité stérique qui dans ce cas amène à la formation de p-xylène.

10Une autre famille d’aluminosilicates, cette fois-ci montrant une organisation cristalline du type lamellaire est constituée par les phyllosilicates argileux. Parmi ces solides, les smectites peuvent intercaler, c’est-à-dire adsorber dans leur espace interlamellaire des espèces organiques très variées et dans certains cas, de pouvoir transformer ces espèces d’une manière extraordinairement sélective. Par exemple, on sait que des réactions de réarrangement ou de transposition moléculaire, comme celle du pinacol, se déroulent d’une manière spéciale dans les espaces confinés. La capacité migratoire des atomes ou des groupes d’atomes peut changer profondément en raison des contraintes stériques dans l’espace confiné et le résultat des transformations chimiques peut être fortement modifié. Tel est le cas du réarrangement du glycol 2,3-diphenyl-2,3-butanol dans l’espace interlamellaire des smectites échangées avec des cations acides, tels que l’aluminium. En effet, il se forme du 1,2-diphenyl-2-methyl-1-propanone au lieu de 3,3-diphenyl-2-butanone comme dans des milieux homogènes conventionnels.

11D’autre part, la modification de l’intérieur des tunnels d’une silice mésoporeuse permet l’accès moléculaire sélectif de différentes espèces chimiques. De même, on peut développer des matériaux hybrides fonctionnels par des réactions de greffage intra-cristallin de silices lamellaires qui deviennent ainsi actives du point de vue de l’adsorption discriminative.

12Finalement, des solides à organisation nanoporeuse monodimensionnelle ont aussi vocation à accommoder des espèces moléculaires de telle manière que leur réactivité soit fortement modifiée. Un exemple intéressant, c’est le pigment connu sous le nom de bleu maya, qui était fabriqué par les civilisations précolombiennes de Mésoamérique, comme les Mayas et les Aztèques. Il était utilisé dans les peintures murales et la céramique. C’est le résultat de la nanotechnologie développée il y a une dizaine de siècles ! En réalité le colorant indigo était encapsulé au niveau moléculaire dans les nanotunnels structuraux de la palygorskite, une argile microfibreuse. De cette manière la couleur caractéristique a persisté pendant des siècles, puisque l’indigo restait protégé dans des espaces confinés évitant son altération microbiologique et par les agents atmosphériques. Le génie cristallin et moléculaire permet aujourd’hui de reproduire ces systèmes pour des applications avancées.

Les biohybrides, un nouveau type de matériau à l’interphase du monde minéral et du vivant

13Il est bien connu que la combinaison à l’échelle nanométrique de composés organiques avec des solides inorganiques conduit à une classe de matériaux nanostructurés que l’on nomme hybrides. Habituellement la partie organique provient de composés synthétiques, mais leur substitution par des substances provenant d’espèces biologiques est à l’origine des matériaux dits biohybrides. Ceci représente un progrès très important dans le domaine des matériaux fonctionnels car l’incorporation d’entités biologiques, telles que des fragments cellulaires ou même des micro-espèces intégrales, confère aux solides inorganiques des propriétés qui surpassent largement les systèmes utilisant exclusivement des composés synthétiques.

14Comme exemples de systèmes biohybrides, on peut citer le cas de nanoparticules inorganiques modifiées avec des fragments d’espèces cellulaires végétales réalisant la photosynthèse artificielle. On peut encore citer l’assemblage d’enzymes sur des solides biocompatibles pour le développement de biocapteurs et de biocatalyseurs, ou même, l’immobilisation de cellules vivantes dans des matrices silicatés qui permettent leur survie pendant de longues périodes de temps.

15La préparation de biohybrides selon les méthodes du type bottom-up appliquées à la nanotechnologie utilise des unités de construction bien définies et suit les procédés typiques de la chimie douce, afin d’éviter l’altération des entités d’origine biologique, généralement fragiles et sensibles. Dans cet ordre d’idée, on peut citer quelques systèmes d’intérêt prioritaire, comme l’immobilisation d’enzymes par des matrices sol-gel, l’inclusion de chlorophylle dans des silices mésoporeuses, l’encapsulation de cellules vivantes dans des matrices rigides ou flexibles et l’intercalation de biopolymères dans des solides à organisation bidimensionelle.

16Un grand nombre de biohybrides d’origine naturelle sont connus sous le nom de bionanocomposites. Il s’agit de matériaux résultants de l’assemblage de solides inorganiques avec des polymères d’origine naturelle, tels que des polysaccharides, des protéines, des lipides et des acides nucléiques. On peut noter que certains bionanocomposites se trouvent dans la nature, comme l’os ou la nacre qui sont constitués par des particules de phosphates ou de carbonates liés à l’échelle nanométrique avec des biopolymères comme par exemple le collagène ou la lustrine A. Ces bionanocomposites naturels ont des propriétés mécaniques très élevées. L’utilisation de différents solides inorganiques, comme les silices et les silicates, avec le grand choix qu’offrent les biopolymères, ouvre des possibilités presque illimitées pour le design de nouveaux matériaux biomimétiques d’intérêt structurel aussi bien que fonctionnel.

17Des silicates argileux du type lamellaire ou fibreux ont été récemment utilisés pour le développement de matériaux biohybrides avancés. La conformation de ces matériaux sous la forme de films ou de mousses permet de préparer des membranes pour la séparation de gaz ou des matériaux à structure cellulaire de basse densité. Ces derniers sont préparés par l’application des techniques de lyophilisation ou de séchage supercritique en produisant des biocomposites ultralégers d’une densité extraordinairement faible (inférieure à 20 kg/m3) qui pourraient avoir une utilité pour l’isolement acoustique et thermique. De plus, ces matériaux sont biodégradables, biocompatibles et ignifuges, ce qui mène à de multiples applications potentielles dans des domaines très variés. Des membranes biomimétiques basées sur des systèmes biohybrides phosphatidylcholine-argiles constituent un environnement adéquat pour l’immobilisation d’enzymes et présentent un intérêt comme bioréacteurs très performants. Des polysaccharides-argiles peuvent être assemblés avec des cellules de microalgues et des particules virales grâce à leur excellente compatibilité. Ces systèmes, intermédiaires entre le monde minéral et le vivant, affichent un certain niveau de bioactivité et sont à l’heure actuelle étudiés en vue de leur application dans la production de biomasse, de vaccins ou de biocapteurs très sélectifs.

18Ce n’est que le début d’une ligne de recherche extrêmement attractive et avec un bel avenir, qui choisit de profiter de la versatilité des fonctions de la matière vivante et de l’apport de la structure et de la texture des substances minérales.

Haut de page

Pour citer cet article

Référence papier

Cours et travaux du Collège de France. Annuaire 112e année, Collège de France, Paris, avril 2013, p. 843-847. ISBN 978-2-7226-0198-7

Référence électronique

Eduardo Ruiz-Hitzky, « Le four micro-ondes : de la cuisine à la chimie de synthèse », L’annuaire du Collège de France [En ligne], 112 | 2013, mis en ligne le 28 août 2013, consulté le 26 mai 2018. URL : http://journals.openedition.org/annuaire-cdf/1120

Haut de page

Auteur

Eduardo Ruiz-Hitzky

Professeur, Institut des sciences des matériaux de Madrid, CSIC (Espagne)

Haut de page

Droits d’auteur

Collège de France

Haut de page