Les systèmes colloïdaux ici c’est la taille qui compte

Utilisés depuis la préhistoire dans les peintures rupestres, les colloïdes sont des systèmes extrêmement répandus dans notre vie quotidienne. Que ce soit dans la nature, la cosmétique ou encore l’agroalimentaire, les colloïdes occupent une place importante dans de nombreuses applications. Cependant, leur étude ne s’est largement développée qu’à partir du XIXème siècle, avec notamment les travaux de Selmi en 1845 ou ceux de Faraday dans les années 1850 sur des dispersions colloïdales d’or (Evans, et al., 1999). Certaines de ces dispersions sont d’ailleurs toujours conservées à Londres, notamment à la Royal Institution où se situe le laboratoire de Faraday. Cette abondance de systèmes colloïdaux dans notre environnement quotidien a plusieurs raisons. Tout d’abord, l’état colloïdal permet de mélanger des composés initialement immiscibles. Par exemple, cela permet de transporter des substances graisseuses à travers une phase aqueuse. C’est le cas par exemple du lait qui est une émulsion complexe de matière grasse dans l’eau. Cet état dispersé permet une consommation facile de diverses substances nutritives. L’état colloïdal permet aussi d’avoir des propriétés à première vue paradoxales au sein d’un même produit, comme un taux de solide important associé à une viscosité peu élevée. C’est le cas par exemple du latex de NR HA dont le taux de caoutchouc est d’environ 60% en masse alors qu’il s’écoule comme de l’eau. Ces exemples illustrent l’intérêt majeur des colloïdes qui réside dans la capacité d’associé des caractéristiques ou des composés habituellement incompatibles.

Les colloïdes ont été nommés ainsi en 1861 par Graham (Graham, 1861) qui définit alors la notion prépondérante à l’étude de ces systèmes : la taille. Est considéré comme colloïde, tout objet dont l’une des dimensions linéaires est comprise entre 10-9 et 10-6m. Ce critère encore utilisé aujourd’hui est défini indépendamment de la composition chimique, de l’état physique ou de l’origine biologique de l’objet. Ceci souligne l’aspect interdisciplinaire de ce domaine de la physico-chimie comme l’ont souligné Hiemenz et Rajagopalan dans leur ouvrage sur les colloïdes (Hiemenz, et al., 1997). Précisons, de plus, qu’un système colloïdal est constitué de deux phases. Une phase continue dans laquelle sont dispersés les objets colloïdaux qui composent la phase dispersée. L’échelle de taille évoquée dans la définition implique de prendre en compte la notion de surface et d’interface, car à cette échelle, la surface de contact développée par un échantillon est très importante par rapport à son volume total. A titre d’exemple, 1cm3 d’huile dispersé en gouttes de 500nm donne une surface de contact total de 12m² environ. Alors qu’une goutte de 1cm3 a une surface de 4.10-4 m². En effet, pour une goutte de rayon a, son volume est proportionnel à a3 et sa surface à a² ce qui implique que le rapport surface sur volume varie comme 1/a. Ainsi, à l’échelle colloïdale, les forces de surface sont prépondérantes devant les forces de volume. Il faut préciser ici une petite différence entre surface et interface entre deux composés : une surface est située entre un liquide ou un solide et un gaz alors qu’une interface est entre un liquide (ou un solide) et un autre liquide (ou solide).

La figure 1-13 illustre l’exemple que nous venons de détailler et met en évidence la différence de surface qu’implique un état divisé. Cette observation pose cependant la question de la stabilité du système car nous avons déjà tous observé qu’un mélange d’huile dans l’eau n’est pas stable et qu’il tend à se déphaser. Cela vient du fait que les interactions entre l’eau et l’huile sont énergétiquement défavorables par rapport à celles entre molécules d’eau d’une part et celles entre molécules d’huile d’autre part. Contrairement à cet exemple, le latex de NR HA est stable dans le temps. Les particules restent dispersées dans le sérum, alors que pour les mêmes raisons que précédemment, le système devrait se déphaser. La raison de cette stabilité se trouve dans les interactions entre colloïdes. Nous avons vu plus haut que les interactions de surface sont prépondérantes à cette échelle. Ces interactions peuvent être divisées en deux groupes. Les interactions de courte portée qui deviennent importante pour des distances de séparation entre deux objets très faibles, presqu’au contact. Les interactions de longues portées. C’est l’équilibre de ces interactions qui est à l’origine de la stabilité des systèmes colloïdaux.