Supercondensateur

Bouteilles de Leyde montées en série / parallèle

http://www.gr-univers.fr/univers/8a.php

Ewald Jürgen Georg von Kleist (1700 – 1748) se sert d’une machine électrostatique archaïque (Otto von Guericke). Lorsqu’il pose la main sur la boule en faisant tourner l’axe rapidement, il constate la présence d’une charge d’électricité statique et se pose la question : « comment conserver cette charge ? » Pour stocker ce fluide appelé électricité, il eut, en 1744, une idée : Il enroule une feuille d’argent autour d’une bouteille en verre. Dans l’eau accidentellement impure qu’elle contient il plonge un très long fil de laiton qui traverse le bouchon ; il relie ce fil de laiton à la terre et charge la feuille à l’aide d’un générateur à friction. Cette invention est connue sous le nom de bouteille de Leyde parce qu’en 1746, Pieter van Musschenbroek (1692 – 1721) de l’université de Leyde, Pays-Bas, fait de manière indépendante la même découverte, mais est le premier à combiner plusieurs bouteilles en parallèle dans une « batterie » pour augmenter la capacité totale ce qui lui vaut une réputation mondiale.

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Il ne s’agit pas de tracer ici l’historique du parcours qui mène de la bouteille de Leyde aux super-condensateurs. Le problème du stockage d’énergie électrique, nécessairement sous une autre forme et pour une part « mobile », est un enjeu industriel majeur : hydrogène, batteries d’accumulateurs lithium-ion ou autres… Qu’en est-il des « super-condensateurs » ?

Une petite collection de documents permettra de comparer les explications proposées :

[supercondensateur-1.pdf]

[supercondensateur-2.pdf]

[supercondensateur-3.pdf]

[supercondensateur-4.pdf]

Document de consigne d’étude : [1-supercondensateur.pdf]

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

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

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Lithium-ion

https://www.sciencenewsforstudents.org/article/lithium-ion-batteries-flames-fire-prevention-technology

Watch how lithium ions and electrons move when a battery is discharging and charging. The anode is located on the left side of the battery. The cathode is on the right. Lithium ions move inside the battery between the two. Electrons go through an external circuit where their current can run a device, such as an electric car.

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https://www.universalis.fr/encyclopedie/stockage-de-l-energie-electrique/#DE200235

Dominique LARCHER, Mathieu MORCRETTE, Patrice SIMON, « STOCKAGE DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE ». 

L’électricité, correspondant à la mise en mouvement d’électrons dans des matériaux conducteurs, est un vecteur énergétique qui permet de transporter de l’énergie entre une source (générateur) et un dispositif dédié à un usage. La spécificité de l’électricité est la multiplicité des services qu’elle peut rendre : à travers de nombreux dispositifs techniques, elle peut en effet aisément permettre de produire de la chaleur, du froid, de la lumière ou de la force motrice (grâce au moteur électrique). N’existant pas à l’état naturel sous une forme exploitable, l’électricité est une forme d’énergie dite « secondaire », c’est-à-dire issue de la transformation d’énergies primaires. Ces dernières peuvent être fossiles (pétrole, gaz, charbon), nucléaires ou renouvelables (provenant du rayonnement solaire, du vent, du cycle de l’eau, de la biomasse…). L’utilisation des énergies renouvelables pour produire de l’électricité constitue une alternative à notre schéma énergétique. Mais, contrairement aux ressources fossiles, l’électricité, qui n’a d’existence que si elle est utilisée, ne se stocke pas en tant que telle et doit être convertie en une autre forme d’énergie pour pouvoir être réutilisée plus tard. Si différents moyens de stockage existent, ils sont largement insuffisants pour répondre aux besoins croissants d’électricité dans le monde, ce qui constitue un défi important pour la recherche, l’innovation et le développement industriel. Les recherches dans ce domaine sont nombreuses, variées et fécondes.

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https://www.connaissancedesenergies.org/peut-on-stocker-l-electricite

Par voie directe ou indirecte, le stockage de l’électricité est actuellement limité et coûteux. Cette difficulté de stockage pénalise la gestion de l’équilibre entre demande et offre d’électricité sur les réseaux alors que ceux-ci intègrent une part croissante d’unités de production intermittentes. Elle contraint ainsi les réseaux à se dimensionner pour faire face aux pointes de demande et à parfois sous-employer leur appareil productif.

Stockage direct

  • Par utilisation de matériaux supraconducteurs, il est possible sans déperdition d’énergie de stocker l’électricité. Cependant, ceux-ci requièrent des températures d’utilisation proches du zéro absolu (- 273,15°C) dont le maintien est techniquement aussi difficile que coûteux. 
  • Par utilisation de grands condensateurs qui ont toutefois des capacités de stockage limitées et dont les coûts ne permettant pas d’envisager leur exploitation à grande échelle.

Stockage indirect

  • Par voie chimique, des batteries se chargent et se déchargent au gré des besoins. Cette voie fait l’objet de nombreuses recherches notamment dans les technologies lithium-ion. 
  • Par voie chimique, en craquant par exemple une molécule d’eau pour en récupérer l’hydrogène (électrolyse de l’eau) ensuite réinjecté dans les piles à combustible restituant une énergie électrique. Cette technique est qualifiée de « Power-to-Gas ».
  • Par création d’un potentiel gravitationnel, il est par exemple possible de faire remonter de l’eau dans un barrage par exemple, grâce à des pompes actionnées électriquement qui peuvent ensuite relâcher l’eau au travers de turbines génératrices. Ces installations, dites « STEP » (Stations de Transfert d’Energie par Pompage), permettent de stocker d’importants volumes d’électricité.
  • Par voie mécanique cinétique, un tambour sous vide peut être mis en rotation par un moteur électrique avec réversibilité.
  • Par voie mécanique de compression, il est possible de faire monter la pression d’un gaz par des mécanismes fonctionnant à l’électricité, avec une possibilité de réversibilité.

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Le Nobel de chimie 2019 a été attribué à John Goodenough, Stanley Whittingham et Akira Yoshino pour l’invention de la batterie lithium-ion. La mobilité électrique, aussi bien pour le smartphone que pour la voiture, est en effet l’un des enjeux majeur de la recherche industrielle. Le dossier proposé aborde le stockage électrochimique d’énergie avec les batteries lithium-ion, leur fonctionnement et leurs problèmes…

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

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Document de consigne pour l’étude : [1-lithium-ion.pdf]

Document à exploiter :

[lithium-ion.pdf] [problemes.pdf]

[charge-rapide.pdf] [contrepoints.pdf]

Exemple de vidéo :

Discharge and Charge Process of a Conventional Lithium-Ion Battery Cell
TUM EES

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

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Mouvement (11) – Œuf

Petite physique de l’œuf cru…

https://tenor.com/view/coming-soon-gif-7366122

Savez-vous distinguer (sans risque) un œuf cru d’un œuf dur ?

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier mouvement (11) œuf).

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Document de travail : [1-dur-ou-cru.pdf]

Vidéo : [video-dur-cru.mp4]

Document d’explication : [explications.pdf] 

Complément : [ecoulement-couette.pdf]

Après le travail individuel puis la mise au point en petit groupe, les hypothèses sont discutées en grand groupe (animation tableau). Le document de complément (traitant de l’écoulement de Couette) peut être utilisé en cours de travail en petit groupe. Le document proposant des explications peut être exploité après coup et donner lieu à nouveau à discussion.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier mouvement (11) œuf).

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Equa-diff (1) Ordre 1

Exemples classiques d’équations différentielles d’ordre 1 en physique et chimie

Adapté de http://ressources.univ-lemans.fr/AccesLibre/UM/Pedago/physique/02/electri/chargecondo.html

https://fr.wikipedia.org/wiki/Fluxion_(analyse)

https://www.math93.com/histoire-des-maths/les-developpements/798-une-histoire-du-calcul-differentiel-de-la-derivation-et-des-tangentes.html%7C (extraits)

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Six situations classiques pour travailler la modélisation mathématique  (équation différentielle, résolution, graphe d’évolution, constante de temps…). Il s’agit uniquement d’équations différentielles du premier ordre.

Les documents proposés donnent la consigne initiale de travail individuel. La suite de l’étude est modulable. Par exemple, la mise en commun en petit groupe permettra la comparaison de deux ou trois situations différentes avec production d’un poster de synthèse destiné à une présentation en grand groupe. Une fiche synthétique pourra, si nécessaire, servir de support à une mise au point magistrale.

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier equa-diff (1) ordre 1).

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Documents de travail des six situations :

[a-charge-condensateur.pdf]

[b-decharge-condensateur.pdf]

[c-frottement-fluide.pdf]

[d-radioactivite.pdf]

[e-cinetique-chimique.pdf]

[f-refroidissement.pdf]

Documents d’aide : [math.pdf] 

Documents de synthèse comparative : [equa-diff-solutions.pdf] 

Complément : [equations-differentielles.pdf]

Voir également (avec SWFOpener par exemple) l’animation de G. Tulloue : [equadiff-ordre1.swf]

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Tous les documents indiqués sont téléchargeables à l’adresse DOCS (dossier equa-diff (1) ordre 1).

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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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