SPSP?sP5 - ScPhysiques

SP?s5
THÈME 3 : MATÉRIAUX
A5 - NANOMATÉRIAUX
NOUVEAUX MATÉRIAUX
A. SURFACES SUPER-HYDROPHOBE
1. Résultats des mesures :
surface
 nanotubes de carbone
 nanoparticules de SiO2
 feuille de Lotus
 verre
 peinture
 téflon
 verre + suie
angle de contact  (°)
170
145
150
30
120
95
130
mouillabilité
super-hydrophobe
hydrophobe
super-hydrophobe
hydrophile
hydrophobe
hydrophobe
hydrophobe
2. La suie est un agglomérat de microparticules de carbone.
3.
4.
5.
Ces microparticules génèrent des plots à la surface du verre et créent
un état fakir. La goutte est posée sur cette forêt de plots.
Déposer une goutte d'eau à la surface d'une plaque en verre et
toucher délicatement la surface de la goutte avec la tige de verre
dont la pointe a été enduite de savon.
On observe alors que la goutte s'étale. La tension superficielle du
liquide a diminué, l'effet d'adhésion de la goutte avec la surface avec
la surface prend alors plus d'importance.
Le lotus, la tulipe, les pattes du gerris (punaise aquatique qui peut courir sur l'eau), le canard (qui ressort sec de la mare)
sont des exemples de surfaces super-hydrophobes que l'on peut trouver dans la nature.
Applications possibles : pare-brise antipluie, revêtement antigivre, lunettes antibuée, tissus déperlants etc.
B. NANOTUBES DE CARBONE
Extraire des informations :
1. D'après le document 8, une liaison covalente est beaucoup solide qu'une liaison de Van der Waals. Une liaison
covalente est donc plus difficile à rompre.
2. Dans les graphites, les différentes couches (feuillets) de graphène sont liées entre elles par des liaisons de Van der
Waals qui peuvent facilement se rompre. Le graphite est donc un matériau qui s'effrite.
3. Dans le diamant, les atomes de carbone sont liés entre eux par des liaisons covalentes, beaucoup
plus solides.
4. Chaque atome de carbone est entouré de 4 voisins.
Représentation de Cram d'un atome de carbone entouré de ses 4 voisins 
5. Les nanotubes chaises et zigzag se différencient par l'orientation des hexagones dans l'enroulement.
Interpréter et exploiter :
6. Dans un nanotube, un atome de carbone est entouré de 3 voisins. La règle de l'octet n'est donc pas respectée. En effet
chaque atome est entouré de 6 électrons (2 par liaison).
7. Un atome de carbone apporte 4 électrons et seul 3 trois sont engagés dans des liaisons covalentes. Des électrons sont
donc "disponibles" pour assurer la conduction du courant électrique.
Effectuer un calcul et interpréter :
8. Après formation, on obtient 9 hexagones (non pas 8 car les atomes d’extrémités ne se superposent pas).
périmètre : p = 9×0,245 = 2,20nm
hauteur du
rayon : r = p / 2 = 2,20 / 2 = 0,351nm
motif qui se
9. Le volume d’un cylindre est V = .r².L donc :
duplique :
–9 2
–3
–22 3
V =  × (0,351.10 ) × 10 = 3,87.10 m
0,283nm +
10. La figure du document 7 montre que l’élément qui se
0,142nm
"duplique" verticalement est formé de 36 atomes en deux
= 0,425nm
couches dont la "hauteur" est 0,283 + 0,142 = 0,425nm.
Le motif
Nombre de couches sur une hauteur de 1mm :
comporte
10–3 / 0,425.10–9 = 2,35.106 couches
36 atomes.
Nombre d’atomes sur une hauteur de 1mm :
6
7
N = 36 × 2,35.10 = 8,46.10 atomes
11. La masse d'un cm3 est :
m = 8.1014 × N × m(atome C) = 8.1014  N  (MC / NA)
m = 8.1014  8,46.107  12,0.10–3 / 6,02.1023 = 1,35.10–3kg
1m3 = 106cm3
donc la masse d'un m3 est 106 fois plus grande.
La masse volumique des nanotubes est de 1,35.103kg.m–3
12. Cette masse volumique est en effet environ 6 fois moindre que
celle de l'acier.
13. Conductivité thermique en W.m–1.K–1 :
acier : 46 / bois : 0,16 / verre : 1,2 / fer : 80 / cuivre : 390
Les nanotubes de carbone possèdent une conductivité thermique exceptionnellement grande : 17 fois supérieure à celle
du cuivre par exemple qui est déjà un bon conducteur thermique.
Conclure :
14. Les nanotubes de carbone sont très résistants mécaniquement, conduisent l'électricité et la chaleur de manière
exceptionnelle et sont légers (ils ont une masse volumique faible par rapport à d'autres matériaux qui ont une résistance
mécanique équivalente). Parmi les applications possibles exploitant ces propriétés, on peut imaginer les utiliser :
- pour fabriquer des matériaux résistants et légers, par exemple dans la construction en remplacement des briques ou
encore dans le sport (raquettes de tennis par exemple),
- dans des circuits électroniques, des puces par exemple, afin de réduire l'échauffement par effet Joule,
- comme "évacuateur" de chaleur, dans les systèmes de chauffage par exemple.