Savons, tensioactifs, émulsions, mousses, cristaux liquides

• Fabrication d’un savon

Les savons sont fabriqués à partir de matières grasses, dont des triglycérides, c'est-à-dire des triesters (triple fonction ester) formés de trois longues chaines carbonées. Le savon est obtenu par une saponification du triglycéride par de la soude, selon la réaction suivante traduisant l’hydrolyse basique des fonctions ester :
• Description

Un savon est constitué d’espèces chimiques ayant un double comportement hydrophile et hydrophobe. On parle d’espèces amphiphiles. Les molécules de savons sont de la forme ou sous leur forme solide, où R désigne une chaine carbonée linéaire comportant habituellement entre 4 et 20 atomes de carbone, souvent un nombre pair. Elle peut être saturée ou comporter quelques doubles liaisons en configuration Z.


En solution aqueuse, le sodium/potassium devient un ion. Le savon est alors un carboxylate, c'est-à-dire la base conjuguée d’un acide carboxylique. Par exemple, à partir du palmitate de sodium, on obtient l’ion palmitate. La chaîne carbonée est apolaire, ce qui explique son caractère hydrophobe et lipophile (affinité avec les corps gras, par liaisons de Van der Waals). La partie est par contre hydrophile, de part la présence des atomes d’oxygène et de la charge – : elle établit des liaisons hydrogène avec les molécules d’eau.

• Propriété détergente du savon
Dans une eau savonneuse, les carboxylates se disposent à la surface du liquide, de manière que les queues hydrophobes soient dirigées vers l’extérieur du liquide, et les têtes hydrophiles vers l’eau.

    

Si la concentration en carboxylates est suffisante ( environ), ces derniers forment des micelles dans le liquide. Ce sont des structures sphériques, où les queues hydrophobes sont dirigées vers l’intérieur de la structure pour interagir entre elles par liaisons de Van der Waals, et les têtes tournées vers la phase aqueuse. Les queues hydrophobes étant lipophiles, elles peuvent emporter un corps gras. Cela explique l’action détergente du savon.

→ Les cristaux liquides nématiques sont constitués de molécules polaires qui peuvent être orientées de manière réversible par un champ électrique. Dans la pratique, les cristaux liquides sont déposés dans une cellule, encadrée par deux électrodes qui établissent le champ quand elles sont sous tension. L’intérêt est que les cristaux liquides interagissent différemment avec la lumière qui les traverse. Comme applications, on a par exemple :

• Une vitre à transparence variable comporte des gouttelettes de cristaux liquides, entre deux électrodes transparentes. Au repos, les cristaux liquides sont orientés selon des directions quelconques, ce qui diffuse la lumière, rendant la vitre translucide. Quand une tension est appliquée, les cristaux s’orientent perpendiculairement à la vitre, minimisant leur interaction avec la lumière : la vitre devient transparente.

• L’afficheur à cristaux liquides 7 segments fait intervenir la notion de polarisation de la lumière, hors programme. Au repos, l’arrangement des cristaux liquides ("nématiques twistés") permet à la lumière de passer à travers le dispositif de polarisation : un segment de l’afficheur est transparent. Quand une tension est appliquée, la lumière ne passe pas : le segment apparaît noir.


• L’écran à cristaux liquides ou LCD (Liquid Crystal Display) comporte des pixels divisés en trois sous-pixels rouge, vert et bleu. Chaque sous-pixel fonctionne comme un segment de l’afficheur, sauf qu’il peut moduler l’intensité de la lumière transmise. Celle-ci est fournie par un dispositif de rétroéclairage (lumière blanche). Les couleurs rouge, vert, bleu des sous-pixels sont obtenues par des filtres colorés.

→ Les cristaux liquides cholestériques possèdent des propriétés optiques particulières. En effet, les plans de même orientation sont assimilés à des « miroirs parallèles » satisfaisant la loi de Bragg (décrivant la diffraction de rayons X par un cristal). Elle explique que seules les longueurs d’onde vérifiant la relation sont diffusées par le matériau.


k est un nombre entier, p est le pas de l’hélice (en m), l’angle entre la lumière incidente et un plan, (en m) est exprimée dans le vide et n est l’indice optique du cristal liquide. De part les valeurs de p, des   sont dans le visible, ce qui donne au matériau une teinte colorée.

Les cristaux liquides cholestériques sont présents dans les billets de banque, dans la partie qui change de couleur selon l’angle d’observation. C’est un dispositif anti-copie du billet.

p diminue quand la température augmente, donc la couleur diffusée est modifiée. On parle de cristaux liquides thermochromiques. Cela permet de les utiliser comme thermomètre :
• comme ceux utilisés sur les parois des aquariums domestiques.
• pour des applications médicales, pour réaliser des thermographies en déposant le matériau sur la peau du patient.
• pour des testeurs de pile : le passage du courant électrique échauffe localement le matériau, ce qui provoque l’apparition d’une coloration (jaune).