Nano (6) Quantum-dot

Quantum Dots : des atomes artificiels

https://nanohub.org/resources/animations

Traduction

Une boite quantique [quantum-dot] pyramidale InAs d’une largeur de 27 monocouches atomiques à la base et de 15 monocouches atomiques de hauteur. […] Le semi-conducteur InAs peut être développé sous forme de cristal au-dessus d’un substrat en GaAs. Étant donné que la constante de réseau InAs naturelle est plus grande que celle de GaAs, le matériau peut s’agglomérer pour former des structures cristallines parfaites à l’échelle nanométrique qui peuvent prendre des formes pyramidales ou en dôme. Les tailles typiques de ces points quantiques sont de 20 nm de diamètre et 5 nm de hauteur. Le matériau InAs est généralement recouvert de GaAs. La structure centrale peut confiner des électrons supplémentaires et former un atome artificiel. De tels atomes artificiels peuvent avoir des propriétés optiques comme les atomes naturels, comme la capacité d’absorber et d’émettre de la lumière. La fréquence ou la longueur d’onde de cette activité optique peut être déterminée par la taille, la forme et la composition du matériau des points quantiques.

By Gerhard Klimeck, David S. Ebert, Wei Qiao. Electrical and Computer Engineering, Purdue University, West Lafayette, IN. Densité électronique d’un atome artificiel.

Plus précisément, la séquence d’animation montre divers états électroniques dans un point quantique auto-assemblé en arséniure d’indium (InAs) / arséniure de gallium (GaAs). La structure à l’échelle nanométrique du semi-conducteur InAs intégré dans GaAs peut confiner les électrons tout comme un proton peut attirer un électron dans un atome d’hydrogène. Cet atome artificiel est 100 fois plus grand qu’un atome naturel et ses propriétés peuvent être ajustées par la composition, la taille et la forme du matériau.

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Les boîtes quantiques (Quantum Dots) ont été découvertes dans les années 1980 par Alexei Ekimov et Louis Brus. Comme il est indiqué plus haut ces assemblages atomiques se comportent comme de « gros atomes artificiels » capables de confiner des électrons (ou des paires d’électrons – trous) dont les comportements sont bien sûr descriptibles par la mécanique quantique. Les applications de ces nano-structures sont très diverses. Quatre d’entre elles sont abordées dans les documents proposés ici.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (6) quantum-dot).

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Document de consigne : [1-quantum-dots.pdf]

Il s’agit d’une exploitation de documents avec un déroulement classique : individuel puis mise en commun en petit groupe et réalisation de poster synthétique destiné à la présentation au grand groupe (le traitement de deux documents par groupe peut s’avérer suffisant et efficace).  

Document à exploiter :

[nanobio-hybrides.pdf]

[photosynthese-artificielle.pdf]

[qleds.pdf]

[vitres-photovoltaiques.pdf]

Une sélection de vidéos peut compléter l’étude…

par exemple : [quantum-dots.mp4]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (6) quantum-dot).

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Nano (5) Lait

https://www.uoguelph.ca/foodscience/book-page/structure-casein-micell

Casein micelle image from Dalgleish, D. G., P. Spagnuolo and H. D. Goff. 2004. A possible structure of the casein micelle based on high-resolution field-emission scanning electron microscopy. International Dairy Journal. 14: 1025-1031. This micelle is 120 nm in diameter.

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Les études proposées portent d’une part sur l’interprétation du caillage du lait (lactique et enzymatique) et d’autre part sur la structure des globules gras du lait.

Le lait contient des globules gras émulsionnés de même que de la caséine et des protéines du lait solubles (colloïdal) https://www.agroscope.admin.ch/agroscope/fr/home/themes/denrees-alimentaires/qualite/kaese-milch-milchprodukte/milchfett-rahm-butter.html

Milk fat globule membrane

https://www.arlafoodsingredients.com/4967d2/globalassets/afi/our-ingredients/pediatric/mfgm/mfgm-10-hero.jpg?preset=og

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (5) lait).

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1. Caillage du lait

Document de consigne : [1-caillage.pdf]

Documents à exploiter : [coagulation-lactique.pdf] ; [coagulation-enzymatique.pdf] ; [colloide.pdf] ; [micelles-caseine.pdf]

2. Globules gras

Document de consigne : [2-globule.pdf]

Documents à exploiter : [mfgm.pdf] ; [molecules.pdf] 

Voir également : [MFGM.mp4]

Compléments :

[colloid-nanoparticles.mp4] 

[milk-microscope.mp4] 

[human-breast-milk.mp4]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (5) lait).

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Nano (4) Potentiel Zêta

ζ

Mesures et exploitations du potentiel Zêta

http://hebaco.ca/chemical/

Extrait du document de l’entreprise Sdtech : La mesure du potentiel Zêta pour comprendre, stabiliser et contrôler http://nano.sd-tech.com/files/fr/pdf/publication/2017/Zeta.pdf

Le potentiel zêta représente la charge électrique qu’une particule acquiert grâce au nuage d’ions qui l’entourent quand elle est en suspension ou en solution. En effet, lorsque celle-ci est en mouvement dans un liquide, elle s’entoure d’ions organisés en une « double couche électrique » : – une partie des ions s’accroche à la particule formant ainsi une couche d’ions adhérents dite couche dense – l’autre partie des ions forme une couche non liée dite diffuse. Le «plan de cisaillement » délimite ces deux couches. C’est la différence de potentiel entre le milieu de dispersion et le potentiel au plan de cisaillement qui définit le potentiel Zêta. Ce potentiel représente la mesure de l’intensité de répulsion ou d’attraction électrostatique entre particules. Sa mesure apporte donc une compréhension des causes de dispersion, d’agrégation ou de floculation et une solution d’amélioration de la formulation de dispersions, d’émulsions ou de suspensions. La mesure du potentiel Zêta a des applications importantes pour une large variété d’industries : industrie pharmaceutique, industrie cosmétique, industrie agroalimentaire, industrie céramique, industrie électronique, industrie chimique et de spécialités chimiques, traitement des eaux, industrie des nanotechnologies…

Comment prévoir et réaliser les conditions de stabilité d’une émulsion, ou bien, au contraire, celles qui vont permettre la coagulation et la décantation d’impuretés pour le traitement de l’eau ?

On propose ici trois études autour de la notion de potentiel Zêta (z) à partir d’exploitation de documents (adaptés du document de la société citée plus haut).

  • Floculation et décantation
  • Risques liés aux nanoparticules
  • Stabilité d’une formulation

Le dispositif est classique : individuel d’abord puis mise en commun en petit groupe pour réaliser un poster qui sera présenté en grand groupe avec animation tableau. Les trois études peuvent être traitées indépendamment par des groupes différents.

Scanning electron microscopy (SEM) images of a typical colloidosome showing (a) the assembly of colloidal particles on the interface of an emulsion droplet and (b) & (c) the pores (open space between particles) that control permeability.

http://folk.ntnu.no/fossumj/eit/Nanoparticles.html

On pourra utiliser également : MembranesBullesNano (1) Capsules, Nano (2) Vecteurs-ARN, Nano (3) Colloïdes

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (4) potentiel zeta).

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Documents de travail :

[1-floculation-decantation.pdf]

[2-risques-nanoparticules.pdf]

[3-stabilite-formulation.pdf]

Documents d’aide (communs aux trois études :

[potentiel-zeta.pdf]

[zetametrie.pdf]

[electrophorese-laser-doppler.pdf]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (4) potentiel zeta).

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Nano (1) Capsules

Nanocapsules lipidiques et autres exemples

https://www.cosmeticsdesign.com/Article/2016/06/21/New-carbon-nanocapsules-could-mean-more-ways-to-deliver-cosmetic-actives

On se propose ici d’interpréter la formation des microcapsules lipidiques et leur utilisation. On se réfère, au niveau moléculaire, aux notions d’interactions électriques, polarisation, hydrophilie, lipophilie, amphiphilie…

On pourra consulter également :

Membranes , Bulles et Nano (2) Vecteurs-ARN

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (1) capsules).

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Documents de travail :

[1-etude.pdf] ; [1-nanocapsules-lipidiques.pdf] ; [1-molecules.pdf]

Documents complémentaires :

[nanomedicaments.pdf] ; [nano-lipidiques.pdf]

On trouvera également un ensemble documentaire pouvant donner lieu à exploitation dans les dossiers [2-complements] et [3-autres-exemples]. Il concerne les objectifs et applications (dans le domaine médical notamment) des nanotechnologies d’encapsulation et différents exemples.

Par exemple :

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (1) capsules).

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Aspirine

Réclame de 1923 (L’Illustration)

Un sujet très classique : l’acide acétylsalicylique.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier aspirine).

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1. Une analyse de protocole

Document de travail : [analyse-protocole.pdf]

Il s’agit d’explorer l’hémi-synthèse de l’acide acétylsalicylique à partir d’un descriptif de protocole expérimental. Il est évidemment possible de mettre en œuvre sa réalisation.

2. Une élaboration de protocole

Document de travail : [titrage.pdf]

On élabore, réalise et exploite le protocole de dosage par titrage acido-basique de l’acide acétylsalicylique.

3. Une exploitation de documents

Documents de travail : [precurseurs.pdf] ; [hemi-synthese.pdf]

A partir de ces deux documents il est possible de faire une synthèse de la production industrielle de l’aspirine (complétée éventuellement par des recherches sur le web, par exemple pour les volumes de production…). On peut également explorer le mécanisme de la catalyse de l’hémi-synthèse avec le formalisme des flèches courbes.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier aspirine).

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Chromisme (3) – Structurel

Couches minces

Miroir de Bragg

Cristaux photoniques

Le carburant sur l’eau crée un film mince, qui interfère avec la lumière, produisant des couleurs différentes. Ce phénomène s’appelle l’iridescence.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Iridescence

L’iridescence, aussi connue sous le nom de goniochromisme ou d’irisation, est la propriété de certaines surfaces qui semblent changer de couleur selon l’angle de vue ou d’illumination. Des exemples d’iridescence comprennent notamment : les bulles de savon, les ailes de certains papillons, le plumage de certains oiseaux, le corps de la mygale Pterinopelma sazimai, certains coquillages, et certains minéraux. L’iridescence est souvent créée par coloration structurelle (microstructurent qui provoquent des interférences) ou par le phénomène optique de diffraction. Elle est souvent confondue avec l’irisation, l’iridescence étant un terme plus spécifiquement réservé à la diffraction et l’irisation à l’interférence.

https://www.futura-sciences.com/planete/definitions/zoologie-iridescence-10240/ L’iridescence donne aux ailes du papillon morpho qui vit dans les forêts tropicales, une couleur bleu métallique. © Garoche, Pixabey, CC0 Creative Commons.

https://fr.wikipedia.org/wiki/Cristal_photonique

Les cristaux photoniques sont des structures périodiques de matériaux diélectriques, semi-conducteurs ou métallo-diélectriques modifiant la propagation des ondes  électromagnétiques de la même manière qu’un potentiel périodique dans un cristal semi-conducteur affecte le déplacement des électrons en créant des bandes d’énergie autorisées et interdites. Les longueurs d’onde pouvant se propager dans le cristal se nomment des modes dont la représentation énergie-vecteur d’onde forme des bandes. L’absence de modes propagatifs des ondes électromagnétiques (EM) dans de telles structures, dans une plage de fréquences ou de longueurs d’onde, est alors qualifiée de bande interdite (band gap en anglais). […] La forme la plus simple de cristal photonique est une structure périodique à une dimension composée d’un empilement multicouche également appelé « miroir de Bragg ». On l’assimile à un cristal photonique unidimensionnel, car les propriétés spécifiques au cristal photonique n’existent que dans une seule dimension. Les cristaux photoniques bidimensionnels sont principalement des plaques, c’est-à-dire que l’épaisseur est du même ordre de grandeur que la période cristallographique du cristal photonique. La périodicité de ces plaques est généralement créée en « gravant » une structure de trous dans une plaque dont le matériau possède un indice de réfraction élevé.

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On sait qu’il convient de distinguer les couleurs d’origine pigmentaire et les couleurs d’origine structurelle.  Les premières correspondent à l’absorption par la matière, au niveau moléculaire, d’une partie du spectre de la lumière visible. Par contre les couleurs structurelles résultent d’interférences lumineuses sur des structures dont les dimensions sont de l’ordre de grandeur des longueurs d’onde de la lumière visible.

Trois études sont proposées sur les couleurs structurelles et les prolongements de ce type de processus :

– Couches minces

– Miroir de Bragg

– Cristaux photoniques

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On pourra consulter également :

Energie (8) – Infrarouges et Iridescences

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier chromisme (3) structurel).

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1. Couches minces

Documents de travail : [1-couche-mince.pdf] ; [2-antireflet.pdf] ; [3-stokes-rayleigh.pdf] et [3-interpretations.pdf]

Documents d’aide : [aide.pdf] ; [reflexion-transmission.pdf]

Documents complémentaire : [pulverisation-cathodique.pdf]

2. Miroir de Bragg

Documents de travail : [1-miroir-bragg.pdf] 

Documents d’aide : [aide.pdf] ; [reflexion-transmission.pdf]

3. Cristaux photoniques

Documents de travail : [etude-documents.pdf]

Documents à exploiter :

[coloration-structurelle.pdf] ; [cristaux-photoniques.pdf]

[cameleon-begonia.pdf] ; [nanoeponges-photoniques.pdf]

[histoire-applications.pdf]

https://www.laboratoire-francais-gemmologie.fr/la-gemmotheque/opale-2/

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier chromisme (3) structurel).

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Nano (2) Vecteurs-ARN

Nanovecteurs et vaccin ARN

http://www.cinam.univ-mrs.fr/cinam/

On aborde, sur la pointe des pieds et sans accéder aux interprétations biologiques, l’utilisation de « nanovecteurs » dans les domaines médicaux.  C’est à l’ordre du jour, en particulier avec les vaccins à l’ARN messager développés contre la Covid-19.

C’est une exploitation de documents avec un dispositif de travail classique : individuel d’abord (sur une partie des documents) ; puis en petit groupe (disposant alors de l’ensemble des documents) avec réalisation d’un poster synthétique (affiche) ; présentations en grand groupe avec animation tableau.

Il s’agit de dégager les objectifs, intérêts et méthodes mises en œuvre (en ne retenant bien sûr que ce qui est accessible à la compréhension…).

On pourra consulter également :

Membranes , Bulles et Nano (1) Capsules

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (2) vecteurs-ARN).

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Documents à exploiter :

[vecteurs-medic-1.pdf] ; [vecteurs-medic-2.pdf]

[vecteurs-ARN-1.pdf] ; [vecteurs-ARN-2.pdf] ; [vecteurs-ARN-3.pdf]

Documents d’aide :

[vaccins.pdf] ; [vaccins-ARN.pdf]

[liposomes.pdf] ; [nanoparticules-lipidiques.pdf]

[lipides-cationiques.pdf]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier nano (2) vecteurs-ARN).

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Analyse dimensionnelle

Grandeurs physiques, dimensions et unités

Les nouvelles mesures et leurs usages (1800)

https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/btv1b8412951c/

Introduction à l’analyse dimensionnelle – Eddie Saudrais – Dimension d’une grandeur physique. La dimension d’une grandeur est, pour simplifier, sa nature physique. Une grandeur peut avoir la dimension d’une longueur, d’une énergie, d’une masse, etc. La notion de dimension est très générale, et ne suppose aucun choix particulier de système d’unités. Une grandeur ayant la dimension d’une longueur (on dit aussi homogène à une longueur) peut s’exprimer en mètres, en centimètres, en angströms, en miles, etc. Ainsi, quand on demande « quelle est la dimension de L ? », il faut répondre « L a la dimension d’une longueur », et non pas, comme le fait la majorité des élèves, « L est en mètres ». Une grandeur « purement numérique », comme le rapport de deux longueurs, est dite sans dimension, ou adimensionnée. L’angle plan, défini comme le rapport de deux longueurs, est donc une grandeur sans dimension ; il a cependant une unité le radian, le degré !

https://fr.wikipedia.org/wiki/Analyse_dimensionnelle

L’analyse dimensionnelle est une méthode pratique permettant de vérifier l’homogénéité d’une formule physique à travers ses équations aux dimensions, c’est-à-dire la décomposition des grandeurs physiques qu’elle met en jeu en un produit de grandeurs de base : longueur, durée, masse, intensité électrique, etc., irréductibles les unes aux autres. L’analyse dimensionnelle repose sur le fait qu’on ne peut comparer ou ajouter que des grandeurs ayant la même dimension ; on peut ajouter une longueur à une autre, mais on ne peut pas dire qu’elle est supérieure ou inférieure à une masse. Intuitivement, il est clair qu’une loi physique ne saurait changer, hormis dans la valeur numérique de ses constantes, au simple motif qu’on l’exprime dans d’autres unités.

Dans une formule physique, les variables présentes ne sont pas « que » des nombres, mais représentent des grandeurs physiques. Une grandeur physique est un paramètre mesurable qui sert à définir un état, un objet. Par exemple, la longueur, la température, l’énergie, la vitesse, la pression, une force (comme le poids), l’inertie (masse), la quantité de matière (nombre de moles)… sont des grandeurs physiques. Une mesure physique exprime la valeur d’une grandeur physique par son rapport avec une grandeur constante de même espèce prise comme unité de mesure de référence (étalon ou unité).

https://fr.wikipedia.org/wiki/Syst%C3%A8me_international_d%27unit%C3%A9s

Le Système international d’unités (abrégé en SI), inspiré du système métrique, est le système d’unités le plus largement employé au monde ; mais il n’est pas officiellement utilisé aux États-Unis, au Liberia et en Birmanie. Il s’agit d’un système décimal (on passe d’une unité à ses multiples ou sous-multiples à l’aide de puissances de 10) sauf pour la mesure du temps et des angles. C’est la Conférence générale des poids et mesures, rassemblant des délégués des États membres de la Convention du Mètre, qui décide de son évolution, tous les quatre ans, à Paris. L’abréviation de « Système international » est SI, quelle que soit la langue utilisée. […] Les unités de base du Système international sont redéfinies lors de la conférence générale des poids et mesures du 13 au 16 novembre 2018 (à Versailles), à partir de sept constantes physiques dont la valeur exacte est alors « définitivement fixée ». Cette réforme entre en vigueur le 20 mai 2019.

On pourra consulter également : La révision du Si

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier analyse dimensionnelle).

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Un travail de vérification de diverses propositions avec l’outil de l’analyse dimensionnelle.

Documents de travail : [1-analyse.pdf]

Documents d’aide et complémentaires : [introduction.pdf] ; [SI.pdf]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier analyse dimensionnelle).

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Molécules (4) – Formules

Formules, groupes, modèles, spectres IR

Plusieurs fiches de travail pour l’identification de groupes caractéristiques, les formules topologiques, la nomenclature… ainsi qu’une approche des spectres IR.

On pourra également consulter sur ce même site :

Molécules (1) – Isoméries ; Molécules (2) – Glucose

Molécules (3) – Bioplastiques ; Géométries moléculaires

Spectro (2) – IR

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (4) formules).

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Documents de travail :

[groupes-1.pdf] ; [groupes-2.pdf]

[modeles-1.pdf] ; [modeles-2.pdf]

[spectres.pdf] ; [spectro-reaction.pdf]

Documents complémentaires :

[table-IR.pdf] ; [recherche-spectres.pdf]

[presentation-IR.pptx]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier molecules (4) formules).

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Calculs atomiques

Un petit assortiment de situations variées de calculs atomiques sous forme de vérifications… De la masse volumique de l’eau et du sel à la fusion des protons en hélium, en passant par la structure du fer alpha.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier calculs-atomiques).

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Documents de travail :

[1-eau.pdf] ; [2-sel.pdf] ; [3-fer.pdf] ; [4-etoile.pdf]

Documents d’aide :

[cristallographie.pdf] ; [masse.pdf] ; [rayon.pdf]

Ainsi que le diaporama [atome.pptx]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier calculs-atomiques).

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