Le procédé que vous mentionnez s'apparente à l'utilisation d'une résine liante pour inclusion, plutôt qu'à l'utilisation d'une colle (la colle produit un joint mince entre les objets, tandis que la résine comble de plus grands volumes d'espaces interstitiels entre les objets).

De manière générale, la préparation de monolithes de sols (p.ex. pour des expositions de profils de sols stratifiés) requiert les étapes suivantes :

1) Séchage des fragments de terre, à l'emplacement final qui leur est destiné (pour un monolithe, le profil de sol est déposé dans un coffre en bois ouvert et séché durant 1-2 semaines) ; la durée de séchage dépend de la nature et de la granulométrie des fragments de terre et de l'épaisseur totale de la piste envisagée.

2) Préparation de la solution de résine : L'entreprise DuPont de Nemours, sise à Genève, produit une très large gamme de résines de natures chimiques diverses, selon les applications. Généralement, la substance de départ est sous forme de granulés solides (mais elle peut être pâteuse), qu'il faut dissoudre dans un solvant organique volatile (p.ex. diméthylcétone à 10%); cette opération doit impérativement être effectuée en présence d'un spécialiste, pour d'évidentes raisons d'hygiène (intoxication due aux vapeurs de solvants) et de sécurité (inflammabilité du solvant volatile).

3) Lorsque les fragments de terre sont secs, procéder à l'infiltration de la solution de résine dans la masse des fragments; l'opération doit être répétée à plusieurs reprises dans un intervalle de quelques jours, pour permettre à la résine de combler tous les interstices entre les grains, tout en permettant au solvant de s'évaporer et à la résine de durcir.

La Station fédérale de recherche sur les sols, à Changins, sera certainement mieux à même de répondre à cette question qui relève moins de la chimie que de la pédologie (science du sol): http://www.changins.ch/

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour !

Durant la première étape de la formation en chimie (BSc : Bachelor ou baccalauréat universitaire ; 3 ans et 180 crédits européens), il existe un socle commun –avec toutefois de légères variations– entre les institutions académiques suisses, puisque l’objectif de cette étape est d’acquérir et d’approfondir les concepts fondateurs et les compétences de base de la chimie, tout en renforçant les outils indispensables des mathématiques et de la physique.

Ce n’est à proprement parler qu’à partir de la seconde étape du cursus (MSc : Master ou maîtrise universitaire ; 3 ou 4 semestres et 90 ou 120 crédits européens) que des différences importantes apparaissent. Les orientations d’enseignement proposées reflètent directement les domaines de spécialisation des instituts de chimie, c’est-à-dire leurs orientations de recherche, puisque l’enseignement est dispensé par des chercheurs.

Parmi les institutions académiques suisses, les 8 suivantes proposent une formation en sciences des molécules : Université de Bâle (UNIBA ; env. 10 équipes de recherche), Université de Berne (UNIBE ; env. 20 équipes), Université de Fribourg (UNIFR ; env. 10 équipes), Université de Genève (UNIGE ; env. 30 équipes), Université de Neuchâtel (UNINE ; formation doctorale uniquement ; 3 équipes), Université de Zürich (UNIZH ; env. 30 équipes), ainsi que les Ecoles Polytechniques Fédérales de Lausanne (EPFL ; env. 40 équipes) et de Zürich (ETHZ ; env. 50 équipes).

L’UNIBA s’est spécialisée dans la chimie appliquée aux sciences de la vie, la catalyse et les nanosciences ; bien que les principales industries pharmaceutiques suisses soient implantées dans la cité rhénane, la chimie universitaire reste fondamentale.

Titre offert : MSc en chimie.

Lien : http://www.unibas.ch/

L’UNIBE propose les orientations chimie et biochimie, avec une emphase particulière dans la compréhension des concepts moléculaires qui régissent les processus biologiques (chimie organique et biochimie) et qui conduisent à la conception de nouveaux matériaux (chimie physique).

Titres offerts : MSc en chimie et sciences moléculaires ; MSc en biochimie et sciences moléculaires.

Lien : http://www.unibe.ch/

L’UNIFR offre des formations bilingues (FR/DE) au niveau BSc, et en anglais au niveau MSc ; les orientations prioritaires sont en science des nanomatériaux, des polymères et des matériaux légers (interdisciplinarité chimie-physique-biomédecine-géosciences).

Titre offert : MSc en chimie.

Lien : http://www.unifr.ch/

L’UNIGE a orienté ses domaines d’excellence en chimie fondamentale (organique, physique, inorganique et analytique) et en biochimie fondamentale ; les aspects majeurs des recherches sont dans les architectures supramoléculaires et les macromolécules, la catalyse et la synthèse asymétrique, la spectroscopie ultrarapide, le développement de senseurs ultrasensibles, le trafic transmembranaire.

Titres offerts : MSc en chimie ; MSc en biochimie

Lien : http://www.unige.ch/

L’UNINE, qui ne forme plus d’étudiants aux niveaux BSc et MSc, est active en catalyse et chimie organométallique, ainsi qu’en chimie macromoléculaire ; la réduction de la taille de l’institut de chimie ne permet plus aujourd’hui d’y développer de nouveaux axes de recherche.

Lien : http://www.unine.ch/

L’UNIZH couvre les aspects fondamentaux de la chimie (organique, minérale, physique) et des sciences de la vie (biochimie), ainsi qu’en chimie des surface, en chimie théorique et en chimie de l’environnement. Une filière liant la chimie et l’économie a été ouverte récemment.

Titres offerts : MSc en chimie et sciences moléculaires ; MSc en chimie et économie ; MSc en biochimie (orientation chimie/biophysique).

Lien : http://www.uzh.ch/

L’EPFL propose des formations qui s’étendent de la chimie et de la biochimie fondamentale aux applications en ingénierie chimique ; les spécialités lausannoises sont les cellules solaires, les substances pharmacoactives et diagnostics, ainsi que la nanoscience.

Titres offerts : MSc en chimie moléculaire et biologique ; MSc en ingénierie chimique et biochimie.

Lien : http://www.epfl.ch/

L’ETHZ, de par sa taille, peut offrir un large spectre de formations en chimie et en biosciences appliquées (chimie, bioingénierie, chimie pharmaceutique) ; les compétences s’étendent de l’énergie aux polymères, des matériaux fonctionnels au nanomatériaux, de l’environnement aux biomacromolécules.

Titres offerts : MSc en chimie ; MSc en bioingénierie chimique.

Lien : http://www.ethz.ch/

On le voit, prise dans son ensemble, l’offre de formations et de spécialisations en sciences des molécules et biomolécules est extraordinairement étendue sur le territoire suisse, ce qui contribue d’ailleurs à la qualité avérée des titres délivrés et à une reconnaissance internationale de ses chercheurs, jeunes et avancés, comme l’indique les nombreux classements universitaires.

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Kiko !

Sur le plan purement thermodynamique, la réaction entre le dihydrogène H2 et le dioxygène O2 produit de l’eau H2O, ainsi qu’une tension électrique théorique de 1V environ, et un peu de chaleur.

La réaction inverse, la décomposition de l’eau par électrolyse pour produire le dihydrogène et le dioxygène requiert une tension électrique de 1V environ.

Donc, en théorie, les deux réactions sont exactement équivalentes (l’une produisant autant d’électricité que l’autre en requiert), mais en pratique, le bilan énergétique entre ces deux réactions n’est pas favorable.

Pour mémoire, l’électrolyse de l’eau pure, à 25°C et 1 atmosphère, est caractérisée par une tension électrique de -1.23V. La tension négative signifie que la réaction d’électrolyse n’est pas spontanée et qu’il faut donc fournir de l’énergie pour que la réaction ait lieu. Inversément, la combinaison du dihydrogène et du dihydrogène en eau est caractérisée par une tension électrique de +1.23V, ce qui signifie que le processus produit de l’énergie. Rappelons que la relation entre la tension électrique et l’énergie est donnée par l’expression E (énergie en Joules) = U (tension en Volts) × Q (charge en Coulombs).

Lors de la production de dihydrogène et de dioxygène, l’électrolyse de l’eau ne convertit que 50% à 80% de l’énergie électrique en énergie chimique ; des pertes sous forme de chaleur sont responsables de la chute de rendement, principalement pour l’oxydation de l’eau en dioxygène lorsque les électrodes sont en platine. Si les électrodes sont en d’autres matériaux moins efficaces que le platine, des pertes additionnelles sont enregistrées, principalement pour la réduction de l’eau en dihydrogène. Ces pertes ne tiennent par ailleurs pas compte des pertes engendrées lors de la production de l’électricité necessaire pour l’électrolyse. Généralement, une tension supérieure à 1.5V est utilisée pour procéder à une électrolyse efficace de l’eau.

Du côté de la pile à combustible (dont le principe a été inventé par l’allemand Schönbein en 1838 déjà), l’efficacité du processus de combinaison du dihydrogène et du dioxygène en eau n’est également pas de 100%. Des pertes de plus de 50% sous forme de chaleur peuvent être enregistrées (la pile à combustible peut chauffer au-dessus de 100°C). Généralement, une tension proche de 0.7-0.8V est produite à la sortie d’une pile à combustible efficace.

Globalement, l’efficacité d’un système combinant l’électrolyse de l’eau (consommation d’électricité et production du carburant) et la pile à combustible (consommation du carburant et production d’électricité) n’est pas supérieure à 30-50% selon les conditions.

En d’autres termes, on pourrait penser que la combinaison de ces deux technologies est un non-sens économique et énergétique (en comparaison, l’efficacité globale d’une batterie au plomb pour voitures est proche de 90%). Mais c’est sans compter sur le fait que le système électrolyse/pile à combustible est réutilisable indéfiniment ; s’il est alimenté par de l’énergie solaire ou éolienne, il peut ainsi représenter une alternative très intéressante pour le stockage d’électricité à long terme.

Pour la petite histoire anecdotique, Stanley Meyer, un américain décédé en 1998, avait déposé dans les années 1990 un brevet pour produire du dihydrogène par un système révolutionnaire d’électrolyse de l’eau ; le système permettait, selon son auteur, d’alimenter un véhicule en dihydrogène pour sa combustion. La particularité proclamée de cette « électrolyse révolutionnaire » était qu’elle avait besoin de moins d’énergie que l’énergie minimale prédite théoriquement pour scinder la molécule d’eau, ouvrant ainsi la voie à l’utopique « mouvement perpétuel » et violant par la même occasion les lois naturelles de la thermodynamique. En 1996, le rêve s’est dégonflé et le processus s’est révélé être une fraude scientifique manifeste...

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Olivier !

La persistance d’une odeur est un phénomène complexe, qui implique les caractéristiques de la molécule odorante ainsi que la détection de l’odeur par l’organe de l’odorat et la perception dans le cerveau de la sensation que l’odeur crée.

Pour faire simple, l’odorat fonctionne grâce à des stimulus chimiques, lorsque certaines molécules entrent en contact avec les cellules olfactives –environ 5 centimètres carrés de détecteur présents dans la fosse nasale– pour générer une information électrique transmise via des dizaines de millions de neurones olfactifs jusqu’au au cerveau qui traite et interprète l’information reçue.

Pour qu’une molécule soit odorante, il faut tout d’abord qu’elle soit volatile, car c’est sous forme gazeuse qu’elle peut réagir avec les cellules olfactives. Cette caractéristique de volatilité est liée au point d’ébullition (la température à laquelle un liquide est en ébullition) et à la tension de vapeur (la pression à laquelle la forme gazeuse et la forme liquide d’une substance sont en équilibre) de la molécule. Globalement, plus le point d’ébullition d’une molécule est bas, et plus cette molécule pourra exister sous forme gazeuse.

Mais il n’est pas suffisant qu’une molécule soit volatile pour qu’elle soit aussi odorante. Encore faut-il que cette molécule soit captée par les cils olfactifs présents dans la cavité nasale, et que l’interaction physique entre la molécule gazeuse et le cil conduise à un signal envoyé au cerveau.

En l’état actuel des connaissances, les molécules odorantes se lient à des protéines hôtes et cette interaction enclenche un train de signaux qui sont véhiculés du neurone olfactif au bulbe olfactif puis au cerveau.

Deux molécules odorantes qui possédent des caractéristiques identiques (p.ex. point d’ébullition et tension de vapeur) ne seront pas nécessairement perçues de manière semblable par notre cerveau. De même, une molécule odorante ne sera pas perçue de la même manière par deux individus (ou par un homme et un animal). D’autre part, une substance odorante ne sera pas ressentie identiquement par un individu, selon qu’il hume les premiers signes de l’odeur (grande probabilité d’interaction entre les molécules et les protéines hôtes) ou si sa cavité nasale est déjà saturée par la substance, p.ex. après une exposition prolongée. Les seuils de détection ne sont donc pas des paramètres gravés dans le marbre !

Pour prendre l’exemple des 2 odeurs que tu mentionnes (anis et clou de girofle), la molécule « anisole », principale responsable de la perception de l’anis, et la molécule « eugénol », principale responsable de la perception du clou de girofle, ont une structure chimique relativement proche (les deux possèdent un noyau aromatique sur lequel est fixé un groupe méthoxy H3C-O-), mais leurs différences chimiques (l’eugénol contient en plus un groupe hydroxy HO- et une petite chaîne latérale) leur confèrent des propriétés physico-chimiques très différentes : Les points d’ébullition (155°C pour l’anisole, 253°C pour l’eugénol) et les tensions de vapeur (3.6mbar pour l’anisole, <0.1mbar pour l’eugénol) sont éloignés, mais la perception de ces deux odeurs est élevée et persistante chez l’homme.

La surface des cellules olfactives des chiens est jusqu’à 20 fois plus élevée que chez l’homme et leur odorat peut être jusqu’à 200'000 fois plus développé, ce qui en fait d’excellents détecteurs de substances aussi diverses que des stupéfiants, des explosifs, voire même des marqueurs biologiques (p.ex. l’antigène spécifique de la prostate, PSA, présent dans les urines de patients atteints du cancer de la prostate). En revanche, la densité de connexions neuronales est nettement plus grande chez l’homme, ce qui lui confère certainement un plus grand pouvoir interprétatif face à une ambiance olfactive donnée.

En d’autres termes, une molécule n’est odorante que parce que des mécanismes olfactifs complexes et très spécifiques prennent place entre les cellules olfactives et le cerveau, et conduisent à une perception, positive ou négative.

Par analogie, une couleur, décrite physiquement comme une onde de lumière de longueur donnée, n’existe sous forme de couleur que parce que notre système visuel permet de transformer cette onde en une perception dans notre cerveau !

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Napo !

Parmi nos sens, le goût (mais aussi l’odorat) réagit aux stimulus chimiques. Lorsqu’une substance sapide entre en contact physique direct avec les cellules gustatives présentes dans la bouche (les papilles gustatives), il se produit une réaction chimique qui induit un signal électrique envoyé jusqu’au cerveau pour analyser la saveur de la substance. Le cerveau est capable de percevoir les goûts salé, acide, sucré, et amer (ainsi que le goût « umami », selon les japonais).

Le sel de cuisine ou chlorure de sodium NaCl, communément appelé « sel », a un effet bien particulier sur la sensation gustative. Certains indiquent que le sel est un exhausteur de goût, c’est-à-dire une substance qui accroît la sensibilité des cellules gustatives et amplifie la saveur de l’aliment de base qui est consommé.

Cependant, des expériences récentes ont montré qu’en plus de stimuler les papilles gustatives et de générer dans le cerveau la sensation « salé », il a la capacité d’affaiblir la saveur « amer » et d’augmenter la saveur « sucré ». Il s’avère même que le sel a une plus grande efficacité que le sucre sur la réduction de la saveur « amer ». Par exemple, un mélange de sucre et d’urée (substance fortement amère) est perçu par notre cerveau comme plus amer qu’un mélange de sucre, d’urée et de sel. Il semble par ailleurs que le sel puisse supprimer sélectivement d’autres saveurs désagréables et accroître les saveurs agréables.

A la lumière de ces observations (dont on n’a pas encore décrit tous les mécanismes moléculaires et biologiques), on peut donc dire que le sel de cuisine ne « relève » pas le goût des aliments (au sens d’un « exhausteur de saveur », comme c’est le cas par exemple pour le glutamate de sodium, massivement utilisé dans la cuisine asiatique), mais qu’il « modifie » le goût perçu des aliments.

Quant au goût « salé » perçu pour les aliments sur lesquels du sel de cuisine a été ajouté, il se décompose en deux effets distincts : Les ions sodium (Na+) stimulent les papilles gustatives, tandis que les ions chlorure (Cl-) produisent la sensation du goût salé.

De par son coût très faible et son effet gustatif sur les aliments, notamment lorsque ces derniers sont fades, le sel de cuisine est très largement utilisé dans l’industrie alimentaire ; on constate d’ailleurs une inquiétante augmentation de la consommation de sel dans la plupart des pays industrialisés, ce qui conduit à un accroissement de l’hypertension et de l’obésité parmi la population.

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Il y a tellement de réponses à cette question qu’il faudrait un livre entier sur le sujet !

Avant de parler des molécules qui constituent la colle, demandons-nous ce qu’est une colle, avec un exemple simple qui ne nécessite apparemment ...pas de colle : Répandons de l’eau sur une vitre rugueuse (p.ex. verre anti-reflets) et recouvrons-la avec une deuxième vitre rugueuse ; après quelques heures dans le congélateur, les 2 vitres adhèrent fortement l’une à l’autre ; l’eau a joué le rôle de colle !

A l’échelle microscopique, la surface des vitres (et de la plupart des matériaux) est un ensemble de cavités et d’aspérités (comme une maquette des Alpes) ; placées l’une sur l’autre, elles ne se touchent que par les sommets de leurs aspérités, c’est-à-dire sur une surface très faible. En ajoutant de l’eau, les cavités se remplissent, ce qui permet l’adhésion des 2 vitres car la surface de contact devient très grande ; l’eau gelée jouera le rôle de joint stable et assurera une forte cohésion à l’ensemble.

Une colle fonctionne toujours sur ces deux principes : Un liquide « mouille » les surfaces et assure leur adhésion, puis la solidification de l’adhésif permet la formation d’un « joint » qui assure la cohésion de l’ensemble.

Plusieurs substances d’origine végétale (caoutchouc, amidon de patates, dextrines, cellulose, gommes arabiques ou agar-agar, polysaccharides extraits des algues) ou animale (gélatines, albumines du sang, caséine du lait, collagène des poissons) ont un pouvoir adhésif. Sinon, la plupart des adhésifs sont synthétiques (voir quelques noms de molécules en fin de texte).

Les molécules adhésives sont généralement dissoutes ou dispersées dans un solvant ; des additifs peuvent être ajoutés (p.ex. des agents épaississants). Lorsqu’on applique la colle sur un objet à réparer, la phase liquide remplit les cavités et assure un contact étroit entre les surfaces (adhésion), puis le solvant s’évapore et les molécules adhésives se solidifient et forment le joint (cohésion). L’évaporation est plus rapide avec un solvant organique qu’avec de l’eau.

La vitesse à laquelle la colle va coller dépend de nombreux paramètres (composition et porosité des surfaces, évaporation du solvant, forme des molécules adhésives, présence d’additifs, température).

Certaines colles sont du type « réactives » : La molécule adhésive est produite au moment de l’utilisation de la colle. Avec la colle Araldit (résine époxyde à 2 composants, inventée en Suisse en 1946), deux « briques élémentaires » sont mélangées en présence d’un catalyseur, ce qui induit la combinaison des briques en une nouvelle molécule, plus longue et adhésive. Avec la colle Cyanolyte (colle instantanée –superglue– à base de cyanoacrylate, inventée aux USA durant la 2ème guerre mondiale), une seule « brique élémentaire » est combinée à elle-même, sous l’action de l’humidité de l’air, pour former un long polymère adhésif qui joint les deux surfaces à coller.

Les molécules adhésives peuvent aussi être thermofusibles (inventées aux USA en 1940) : Dans ce cas, il n’y a pas de solvant et la colle est appliquée à chaud (100-180°C, ce qui fait fondre sa masse) et se solidifie à froid pour former le joint d’adhésion.

Le ruban adhésif (scotch) est un film plastique enduit d’un solide adhésif mou qui se déforme aisément et épouse la surface sur laquelle le ruban est posé ; en colmatant les cavités et aspérités de la surface, il adhère et permet à l’ensemble de tenir de manière solidaire.

Chimiquement, l’adhésion a lieu car les molécules adhésives qui constituent la colle créent des liaisons plus ou moins fortes ou subissent des forces d’attraction plus ou moins grandes avec le matériau. Plus la liaison ou l’attraction est stable, et plus il faudra fournir une force élevée pour séparer les deux pièces qui ont été scellées au moyen de l’adhésif. Dans le cas de la colle instantanée Cyanolite, une masse de 1 tonne peut tenir sur une surface collée de 2 centimètres carrés !

Finalement, on trouve des « colles » dans le règne animal : les geckos et les insectes ont des pattes munies de poils microscopiques, dont la taille est inférieure à la rugosité des surfaces sur lesquelles l’animal se déplace ; les poils remplissent les creux de la surface et permettent à la patte d’adhérer temporairement, de la même manière que les longues molécules adhésives des colles comblent les cavités des surfaces.

Il faut remonter à environ 200'000 ans pour trouver les premières traces de l’utilisation d’adhésifs par l’homme (résidus de goudrons utilisés pour lier entre eux des fragments de pierres) ; Ötzi, l’homme congelé découvert en 1991 dans le Tyrol et ayant vécu il y a environ 4500 ans, possédait des armes collées avec un mélange de gommes végétales et d’ocre.

Liste de quelques molécules synthétiques courantes dans les adhésifs : colles phénoliques, urée-formol, mélamine, colles vinyliques ou acryliques, styrène-butadiène, éthylène-vinylacétate, acrylonitrile, élastomères de type polychloroprène, polyisoprène, polybutadiène ou néoprène.

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Jean,

Alors que les fondements de la chimie quantique trouvent leur origine dans les années 1920 avec le développement de la mécanique quantique, d'énormes progrès ont depuis été réalisés en chimie théorique, et ceux-ci continuent de faire l'objet de développements aujourd'hui encore. La limite des découvertes dans ce domaine n'est donc pas encore atteinte!

Rappelons que la chimie quantique a pour but de caractériser les systèmes moléculaires, qu'ils soient simples ou complexes, sous forme statique ou dynamique, en termes d'énergies d'interaction, de structures, de distributions de charges, de réactivités, de propriétés spectroscopiques comme les fréquences de vibration, ou d'évolutions dans le temps, sur la base des données intrinsèques connues (obtenues expérimentalement ou par d'autres calculs théoriques) sur les atomes qui constituent ces systèmes moléculaires.

L'expression mathématique dite "équation de Schrödinger", connue depuis 1926, utilise une fonction d'onde à plusieurs particules et permet de décrire les états d'énergie d'un système moléculaire. Cette équation n'a cependant pas de solution exacte pour les systèmes complexes (il faut entendre par "complexe" les systèmes comprenant plus de 2 particules qui interagissent; on ne peut donc même pas calculer les solutions exactes pour la simple molécule de dihydrogène H2, ou pour son cation [H2]+). En d'autres termes, seules des approximations empiriques ou semi-empiriques plus ou moins sophistiquées (comme par exemple l'approximation de Born-Oppenheimer qui "gèle" les noyaux sur place pour restreindre leurs degrés de liberté), traitant séparément les fonctions d'ondes nucléaires et électroniques, sont utilisables dans le cas des systèmes complexes, pour obtenir des résultats s'approchant de la réalité expérimentale tangible, ou pour suggérer des informations nouvelles (c'est p.ex. la chimie computationnelle qui a prédit l'existence de 5 liaisons entre les deux atomes constituant la molécule exotique de diuranium U2).

Parmi ces approximations, l'approche de calcul dite "ab initio", utilisée depuis 1956, produit des résultats particulièrement fidèles aux observations expérimentales, mais elle est très gourmande en temps de calcul. Bien que les ordinateurs modernes (p.ex. les clusters ou les super-ordinateurs, programmés pour effectuer de nombreuses opérations en parallèle) permettent aujourd'hui de calculer en quelques heures ce qui nécessitait encore des jours ou des semaines il y a 10 à 20 ans, les chimistes théoriciens (mais également les industries pharmaceutiques) sont de plus en plus demandeurs pour résoudre par la chimie computationnelle les questions portant sur des systèmes moléculaires très complexes (p.ex. macromolécules, protéines, architectures supramoléculaires, etc), pour lesquels l'approche "ab initio" requiert encore beaucoup de temps de calcul.

C'est pour ces raisons de gourmandise en temps de calcul scientifique que les ordinateurs ultra-performants ont été développés. Mais il est à noter que c'est grâce à l'industrie du cinéma (pour les traitements d'images complexes) et à l'industrie du jeu électronique (pour la rapidité attendue des effets graphiques) que ces ordinateurs ont pu connaître un essort fulgurant sur le marché en quelques années! Aujourd'hui, des nouvelles approches de calcul en chimie computationnelle sont en développement; elles exploitent les potentialités extraordinaires de cartes graphiques ultra-performantes (GPU: Graphical Processing Unit) qui permettent des opérations mathématiques nettement plus rapides qu'avec les unités centrales traditionnelles (CPU: Central Processing Unit).

Pour ce qui est de la progression dans le temps des aspects théoriques en relation avec la chimie quantique, le dernier Prix Nobel de chimie a été attribué en 1998 à Walter Kohn, chercheur en physique théorique, ainsi qu'à John A. Pople, chercheur en mathématiques.

John A. Pople a reçu le Prix pour ses travaux sur le développement de programmes basés sur la théorie quantique classique et utilisant des approximations de type "ab initio", notamment le fameux programme Gaussian, qui est encore largement utilisé aujourd'hui.

Quant à Walter Kohn, il a été récompensé pour ses travaux sur le développement de la "théorie de la fonctionnelle de la densité" (Density-Functional Theory, DFT), qui facilite les calculs détaillés sur les structures des molécules complexes et les énergies impliquées dans les réactions chimiques. L'apparition de l'approche DFT représente une véritable révolution dans le monde de la chimie théorique. Pour la petite histoire, Walter Kohn ne put pas se rendre à la remise du Prix en 1998, et ce n'est qu'à l'occasion de la cérémonie de décembre 1999 qu'il reçut sa distinction.

Les travaux initiaux de Walter Kohn datent du milieu des années 1960, mais ce n'est que vers la fin des années 1980 que la communauté des chimistes quantiques se les est appropriés et les a rendus populaires. L'enseignement de la DFT sous forme généralisée n'est arrivée que quelques années plus tard et fait partie aujourd'hui du curriculum classique des étudiants en chimie dans les universités de haut niveau; c'est le cas par exemple à l'Université de Genève.

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Pascal,

C'est le 30 décembre 2008 que l'Assemblée générale de l'ONU a proclamé 2011 "Année Internationale de la Chimie", sous l'impulsion de l'Ethiopie et avec la devise "La chimie – notre vie, notre avenir". L'objectif de cette année 2011 (qui coïncide avec les centenaires de l'attribution du Prix Nobel de chimie à Marie Curie et de la création de l'Union Internationale de Chimie Pure et Appliquée) est de montrer l'utilité de la chimie et ses contributions au bien-être de l'humanité, et de véhiculer la fascination des sciences auprès des jeunes.

La chimie, science fondamentale par excellence, semble souvent éloignée des préoccupations des individus. Et pourtant, tout est chimie dans ce qui nous entoure et nous constitue, et la chimie est en tout: Ce sont des réactions chimiques qui contrôlent les processus vitaux des cellules biologiques, la verdoyante Dame Nature serait inexistante sans la réaction chimique de photosynthèse, de nombreuses maladies ravageraient les populations si des médicaments efficaces n'avaient pas été créés, notre vie serait bien plus complexe, et notre confort moindre, sans les innombrables apports de la chimie de synthèse (polymères, pigments, additifs, produits phytosanitaires et agroalimentaires, traitement des eaux usées, etc), le développement de ressources énergétiques alternatives serait impossible sans la contribution des chimistes; et la liste peut s'allonger à l'infini!

Ce que les chimistes souhaitent pour cette année 2011, c'est principalement sensibiliser le grand public au fait que cette science peut apporter des réponses aux grands défis de notre Planète et aux besoins humains dans le respect des équilibres naturels et sociétaux, au même titre qu'elle a déjà apporté de nombreuses réponses jusqu'à ce jour. Ce que les chimistes espèrent également, c'est sensibiliser les jeunes à leur science et susciter de nombreuses vocations, pour assurer une relève de qualité dans le futur; il manque en effet cruellement de chimistes aujourd'hui en Suisse, comme l'a souligné en 2010 Maura Dell'Ambrogio, Secrétaire d'Etat à l'éducation et à la recherche, alors même que notre pays a su se hisser en tête du secteur chimique et pharmaceutique au niveau mondial.

A Genève, plusieurs événements sont prévus pour célébrer l'Année Internationale de la Chimie:

- Le Musée d'Histoire des Sciences (http://www.ville-ge.ch/mhs/expo_2011_elementaire.php) consacre jusqu'en janvier 2012 une exposition sur l'histoire des éléments et organise deux cycles de conférences sur la chimie au printemps et en automne; le 29 mai, un événement festif, "la Boum des chimistes", sera organisé pour le grand public dans le parc de la Perle du Lac.

- Dans le courant de l'été, la Section de chimie et biochimie de l'Université de Genève inaugurera un "ChimiScope", lieu de familiarisation aux enjeux actuels de la chimie, destiné aux élèves et au grand public.

- Et les travaux du grand chimiste genevois Jean-Charles Galissard de Marignac (1817-1894), découvreur de deux éléments du Tableau périodique, seront célébrés le 13 septembre à Uni Bastions lors d'une cérémonie publique associée à une journée de démonstrations chimiques festives.

Les informations sur les manifestations consacrées à l'Année Internationale de la Chimie sont disponible sur http://www.chimie2011.ch/fr/ (en Suisse) et http://www.chemistry2011.org/ (partout sur la planète). Et le magazine "Campus" de l'Université de Genève a consacré son premier numéro de 2011 à la chimie: http://www.unige.ch/presse/Campus/campus102.html

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Salut Matthieu,

La réponse se trouve dans ta question, sous forme un peu cachée!

Si je te demande pourquoi les boissons non gazeuses n'explosent pas quand on les secoue, tu repondras que c'est justement parce qu'il n'y a pas de gaz!

Tu l'auras compris, c'est "le gaz" qui est à l'origine de ce comportement "explosif".

Une boisson gazeuse, c'est une boisson dans laquelle on ajoute un gaz sous pression, le dioxyde de carbone CO2. Ce gaz se dissout dans la boisson sous forme d'acide carbonique H2CO3 (regarde sur l'étiquette de ta bouteille d'eau gazeuse ou de ta cannette de soda).

Lorsque tu prends une bouteille en plastique neuve contenant une boisson gazeuse, tu constates qu'il y a quelques rares bulles visibles dans la boisson. Ces quelques bulles, c'est un petit peu d'acide carbonique dissous qui se transforme en CO2 gazeux. Lorsque tu ouvres la bouteille, tu entends le "pschit" caractéristique des bulles de CO2 qui s'échappent de la boisson et de l'espace d'air qui existe entre le liquide et le bouchon.

Seulement, si tu secoue vigoureusement la bouteille avant de l'ouvrir, tu vas aider l'acide carbonique dissout à se transformer très rapidement en CO2 gazeux. Comme le CO2 gazeux qui se forme ne veut pas rester dans le liquide (car le gaz est nettement moins dense que le liquide), il va se loger dans l'espace d'air entre le haut du liquide et le bouchon de la bouteille. Et lorsque beaucoup de CO2 gazeux veut remplir ce petit espace d'air, la pression dans l'espace augmente.

Si la bouteille n'a pas été conçue pour supporter une telle surpression, elle va rompre, faisant littéralement exploser la boisson. Et si la bouteille supporte cette surpression, la boisson giclera fortement lorsque tu dévissera le bouchon.

C'est comme si tu gonfles un ballon de football avec une pompe puissante: si tu gonfles trop, tu augmentes trop la pression dans le volume interne du ballon, et celui-ci explosera lorsque sa paroi ne pourra plus contenir cette pression élevée.

Le résultat est le même si tu chauffes fortement une bouteille fermée de boisson gazeuse, ou si elle reçoit un choc violent (p.ex. si elle tombe de haut): Les bulles de CO2 se forment très rapidement et font augmenter fortement la pression dans l'espace compris entre le liquide et le bouchon, jusqu'à ce que la bouteille cède.

Une expérience simple permettant de visualiser la présence de CO2 dissous dans une boisson gazeuse est disponible sur YouTube: http://www.youtube.com/watch?v=M30iaTUyL3U

Aujourd'hui, les plastiques (p.ex. le PET, PolyEthylène Téréphtalate) qui constituent les bouteilles de boissons gazeuses sont heureusement conçus pour supporter les surpressions et ne pas exploser au moindre petit ennui!

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève

Bonjour Marc,

Il n'y a pas à proprement parler de "chimie d'un élément plus dangereuse que la chimie d'autres éléments", et ceci est vrai également pour le phosphore!

Pour clarifier, distinguons les éléments (ceux qui apparaissent dans le "Tableau périodique des éléments de Mendeleïev") et les molécules (assemblages constitués de plusieurs atomes).

Les combinaisons envisageables entre éléments sont tellement multiples qu'il est impossible de trouver une relation directe entre un élément et sa dangerosité. En revanche, certaines familles de molécules peuvent présenter une relation entre leur structure (leur forme, leur composition, etc) et leur fonction (leur rôle, leur utilisation, leur innocuité, etc).

Avant de parler du phosphore prenons un exemple simple, les éléments oxygène (O) et hydrogène (H).

La chimie de l'oxygène et la chimie de l'hydrogène sont-elle dangereuses ou inoffensives?

Eh bien elle sont inoffensives si on considère l'oxygène combiné à l'hydrogène dans la molécule d'eau (H2O).

Mais elles doivent être considérées avec précautions si on considère l'oxygène combiné à l'hydrogène dans la molécule de peroxyde d'hydrogène ("eau oxygénée", H2O2; oxydant puissant utilisé p.ex. pour désinfecter les plaies, purifier des eaux usées, décolorer les cheveux chez le coiffeur, ou effectuer des réactions d'oxydation vigoureuses).

De même, la chimie de l'oxygène combiné à lui-même (molécule de dioxygène O2) peut être considérée comme absolument vitale (le dioxygène présent à 21% dans l'air que l'on respire) ou dangereuse (le dioxygène pur à 100%, qui est un oxydant très puissant). Ange ou démon, tout dépend donc de l'angle selon lequel on aborde le problème...

Et le phosphore, dans tout cela? Là aussi, la réponse n'est ni noire, ni blanche.

Sur le plan purement chimique, l'une des forces motrices de la chimie du phosphore est la formation d'une double liaison P=O entre le phosphore et l'oxygène (pour les connaisseurs, l'énergie de cette double liaison est de 575kJ/mole, ce qui est considérable). Et cette force motrice est particulièrement utile, puisque la double liaison P=O permet la construction, par la Nature ou par l'Homme, de molécules aussi variées et utiles que les engrais, les détergents, les insecticides, et qu'on retrouve des composés à base de phosphore dans les pâtes dentifrice (combinés au fluor), les pochettes d'allumettes (tant sous forme de sulfure de phosphore qui fait s'enflammer l'allumette, que sous forme de phosphate d'ammonium qui fait cesser la combustion après quelques secondes), les procédés de traitement des métaux, certaines boissons gazeuses (sous forme d'acide phosphorique) et denrées (comme stabilisant), mais aussi dans la composition de bombes incendiaires (sous forme de phosphore rouge ou blanc). Très souvent ange, parfois démon...!

Pour en apprendre plus, en cette année internationale de la chimie, sur les éléments du Tableau périodique, je conseille une petite visite web: http://www.unige.ch/sciences/chimie/partages/mendeleev_fr.php

Dr Didier Perret

Section de chimie et biochimie

Université de Genève