Colloïde - Définition

État des connaissances sur les colloïdes

Connaissances chimiques

La stabilité d'une solution colloïdale résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et les interactions répulsives qui s'exercent sur les particules. Ces interactions dépendent notamment de la température, du pH et des électrolytes dissous : les argiles et limons forment des solutions colloïdales qui floculent en présence de métaux ou de sels, ce qui explique l'envasement des estuaires.

Néanmoins, cette stabilité est plus cinétique que réellement thermodynamique.

En effet, la sédimentation de la phase diffusée et donc la séparation des deux phases est l'état final de tout colloïde (cf. courbes de potentiels thermodynamiques du système). C'est la vitesse de ce phénomène de floculation/sédimentation, très lente, qui donne cette apparence de stabilité.

Connaissances physiques

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Colloid  » du 01/07/2009

Interactions interparticulaires

Les forces suivantes jouent un rôle important dans l’interaction entre particules colloïdales :

• Répulsion par volume exclu : Des particules solides (corps durs) ne peuvent s'interpénétrer.
• Interaction électrostatique : Les particules colloïdales portent souvent des charges électrostatiques ce qui les fait s'attirer ou se repousser. Les charges contenues dans la phase continue (ions en solution) ainsi que la mobilité des deux phases affectent cette interaction.
• Forces de van der Waals : Elles sont dues à l'interaction entre deux dipôles pouvant être aussi bien permanent qu'induis. Une particule n'ayant pas de moment dipolaire permanent peut en acquérir un temporairement suite à une fluctuation de densité électronique. Un tel dipôle temporaire peut induire un dipôle dans une particule voisine. Le dipôle temporaire et le dipôle induit s'attirent alors l'un l'autre. Les forces de Van der Waals sont toujours présentes sauf s'il y a égalité entre les indices de réfraction des deux phases. Ces forces sont de courte portée et attractives.
• Forces entropiques : D'après le deuxième principe de la thermodynamique, un système évolue vers un état qui maximise son entropie. Il peut en résulter des forces effectives même entre des sphères dures.
• Forces stériques : Des surfaces couvertes de polymères ou des polymères non adsorbés en solution peuvent produire une répulsion stérique supplémentaire ou, plus étonnant, une attraction par déplétion. Ces deux effets sont principalement d'origine entropique.

Stabilisation d'une dispersion colloïdale (peptisation)

On cherche à stabiliser une dispersion colloïdale en empêchant l'agrégation des particules de la phase dispersée. Les deux principaux mécanismes sont la stabilisation stérique et la stabilisation électrostatique. La stabilisation électrostatique est basée sur la répulsion des charges de même signe. Des phases différentes ont souvent des affinité électrostatiques différentes ce qui provoque la formation d'une double couche électrique à l'interface. Dans un milieu dispersé, l'aire de l'interface est d'autant plus importante que les particules sont petites. Dans une dispersion colloïdale stable la masse de la phase dispersée est trop faible pour que la gravité vainque la répulsion électrostatique. La charge portée par les particules peut être observée en appliquant un champ électrique : toutes les particules migrent alors vers la même électrode ce qui indique qu'elles portent des charges du même signe

Destabiliser une dispersion colloïdale (floculation)

Lorsque les particules s'agrègent à cause des interactions interparticulaires, on parle de dispersion instable. Certaines applications (traitement des eaux usées, épitaxie de cristal colloïdal) demandent de provoquer une telle floculation. On peut y parvenir suivant différent procédés :

• Suppression de la barrière électrostatique qui empêche l'agrégation via l'ajout de sel ou la modification du pH. Ces méthodes neutralisent ou "écrantent" les charges portée par les particules. Celle-ci se rapprochent alors à portée des forces de Van der Waals qui les coagulent entre elles.
• Ajout d'un polymère chargé de façon opposée aux particules ce qui lui permet de former des ponts entre elles. Par exemple des particules de silice ou d'argile chargées négativement peuvent floculer par l'addition d'un polymère chargé positivement.
• Ajout d'un polymère non adsorbant pour induire une attraction de déplétion.
• La déformation des particules peut augmenter les forces de Van der Waals, leur faisant dépasser les forces de stabilisation. Les colloïdes coagulent alors suivant certaines orientations.

Les suspensions colloïdales de basse fraction volumique forment des suspensions d'agrégats qui finissent par sédimenter (ou crémer) lorsque leur taille devient trop importante pour que l'agitation thermique (mouvement brownien) puisse contrebalancer la gravité. Les suspensions de haute fraction volumique forment des gels colloïdaux aux propriétés viscoélastiques. Le dentifrice par exemple coule lorsqu'il est poussé hors du tube mais reste ensuite sur la brosse à dent.

Technique d’analyse de la stabilité physique

La diffusion multiple de la lumière couplée à un balayage vertical est la technique la plus employée pour suivre l’état de dispersion d’un produit, et par là même identifier et quantifier les phénomènes d’instabilité. Elle fonctionne avec les dispersions concentrées, sans dilution. Quand la lumière est envoyée dans l’échantillon, elle est rétrodiffusée par les particules / gouttes. L’intensité rétrodiffusée est directement proportionnelle à la taille et à la fraction volumique de la phase dispersée. Ainsi, les variations locales de concentration (crémage, sédimentation) et les variations globales de la taille (floculation, coalescence) sont détectées et suivies.

Méthodes d’accélération pour la prédiction de la durée de vie

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps (jusqu’à plusieurs mois, voire plusieurs années pour certains produits) et ainsi, le formulateur doit utiliser des méthodes d’accélération, afin d’obtenir des durées de développement acceptables. Les méthodes thermiques sont les plus employées et consistent à augmenter la température afin d’accélérer les déstabilisations (en restant en deçà des températures critiques d’inversion de phase et de dégradations chimiques). La température n’affecte pas seulement la viscosité, mais également la tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non-ioniques et plus généralement les forces d’interactions à l’intérieur du système. En stockant la dispersion à hautes températures, on simule les conditions de vie réelles d’un produit (par exemple un tube de crème solaire dans une voiture en été), mais également on accélère les processus de déstabilisation jusqu’à 200 fois. L’accélération mécanique incluant la vibration, la centrifugation et l’agitation, sont parfois utilisée. Elles soumettent le produit à différentes forces qui poussent les particules / gouttes les unes contre les autres, aidant ainsi au drainage du film. Cependant, des émulsions ne coalesceraient jamais sous une gravité normale, alors qu’elles le font sous gravité artificielle. De plus, des phénomènes de ségrégation de différentes populations de particules ont été mises en évidence en utilisant la centrifugation et la vibration.

Un modèle d'atome

Les physiciens ne pouvant bien souvent pas voir les atomes directement, il leur arrive d'utiliser les colloïdes comme modèle simpliste mais aisément observable. On retrouve chez les colloïdes les forces qui gouvernent la structure et le comportement de la matière atomique. On retrouve les analogues colloïdaux des transitions de phase (cristallisation, interface entre un liquide de colloïdes et un gaz de colloïdes, point critique, etc.). Des particules colloïdales ayant une taille proche du micron peuvent être observées avec un microscope optique comme par exemple un microscope confocal. La taille (~10⁴ fois celle d'un atome) implique également une dynamique plus lente qui peut être ainsi aisément observée en temps réel.

Cristaux Colloïdaux

Un cristal colloïdal est un réseau ordonné de particules pouvant s'étendre loin dans l'espace (typiquement de l'ordre d'un millimètre voir d'un centimètre) et qui semblent analogues aux cristaux atomiques ou moléculaires. La nature fournit l'exemple de l'opale, une pierre précieuse dont les régions de couleur spectralement pures sont en fait un cristal colloïdal de sphères de silice (SiO₂) Ces particules sphériques ont précipité dans des étangs à forte teneur en silice et ont formé cet empilement périodique après des années de sédimentation et de compression sous l'action des forces hydrostatiques et de gravitation. La périodicité des cristaux colloïdaux laisse des vides régulièrement espacés, typiquement de quelque centaines de nm, qui agissent comme un réseau de diffraction optique pour les ondes électromagnétiques, en particulier la lumière visible.

En effet, on sait depuis longtemps qu'à cause de la répulsion électrostatique, des particules chargées dans un milieu aqueux peuvent exhiber des corrélations à longue distance similaires à celles d'un cristal avec des séparation interparticulaires souvent bien plus grandes que la taille des particules elles-mêmes. Ces phénomènes sont toujours associés à une iridescence attribuée à la diffraction de la lumière visible.

Les nombreuses expériences qui ont exploré la physique et la chimie de ces cristaux colloïdaux ont permis l'émergence de techniques relativement simples de synthèse de colloïdes monodispersés..

Méthodes de fabrication des colloïdes

à venir (pour l'instant, se référer à émulsion, section "technologie")