À première vue, la surface d’un matériau peut sembler tout ce qu’il y a de plus anodine... Pourtant, c’est à cet endroit que se déroulent une grande quantité de processus chimiques complexes qui seraient autrement irréalisables sur la base des simples considérations énergétiques. Mais pourquoi les surfaces sont telles si particulières, qu’est-ce qui leur confère ces propriétés inattendues?
Une question de bon voisinage
Les atomes n’aiment habituellement pas se retrouver seuls... Au coeur du matériau, ceux-ci sont complètement entourés par leurs semblables, mais à la surface ce n’est plus le cas. En effet, certains atomes sont directement exposés à l’air ambiant, ce qui, d’un point de vue énergétique, les déstabilise beaucoup. Vous étiez-vous déjà demandé pourquoi les gouttes d’eau adoptaient des formes sphériques? C’est simplement parce qu’il s’agit de la forme géométrique présentant le moins de surface pour un même volume, ce qui minimise le nombre d’atomes (ou de molécules) exposés à l’air ambiant.
Un endroit rêvé pour les réactions chimiques
Dans le cas des solides cristallins, les surfaces sont très ordonnées et présentent des topographies particulières qui permettent à certaines molécules de s’y installer «confortablement». Par exemple, le lauréat du prix Nobel de chimie en 2007, le Pr. Gerhard Ertl, a démontré avec succès que l’hydrogène (H
2) et l’azote (N
2) moléculaires peuvent s’adsorber de façon dissociative (sous forme atomique: H et N) sur une surface de fer pour ensuite former l’ammoniac (NH
3). Cette réaction, mieux connue sous le nom de «procédé Haber-Bosch», était utilisée à grande échelle dans le milieu industriel depuis près d’un siècle sans qu’elle ait été expliquée par les chimistes. La découverte du Pr. Ertl peut sembler banale, mais elle est tout à fait surprenante si on l’étudie plus en détail. En effet, le lien qui retient les atomes d’azote entre eux est l’un des plus forts dans la nature; le fait que celui-ci puisse se briser aussi facilement, simplement en entrant en contact avec une surface de métal, a de quoi faire sourciller! Cet exemple illustre bien l’énergie contenue à la surface d’un matériau, énergie qui peut être utilisée pour catalyser des réactions chimiques qui paraissent normalement tout à fait farfelues pour le chimiste en herbe.
L’étude des surfaces, un défi de taille!
Bien que nous soyons entourés de surfaces, leur étude ne constitue pas une tâche des plus faciles. En effet, pour bien comprendre leurs propriétés, il faut les analyser à l’échelle atomique, soit à des dimensions de l’ordre du milliardième de mètre. Pour ce faire, des techniques avancées ont été développées au cours des dernières années, notamment la microscopie à effet tunnel (STM), la spectroscopie de photoélectrons-X (XPS) et la diffraction d’électrons de basse énergie (LEED). Ces méthodes exotiques nécessitent des appareils à la fine pointe de la technologie dans lesquels la pression peut atteindre près d’un billionième (10
-12) de la pression atmosphérique, un exploit qui demande beaucoup d’instrumentation comme en témoigne la photo ci-dessous. Il en résulte des machines dignes des films de science-fiction, mais qui sont pourtant bien réelles!
La science des surfaces est encore relativement jeune et en pleine effervescence. Plusieurs scientifiques se consacrent maintenant à étudier les phénomènes qui s’y produisent pour parvenir à de nouvelles découvertes qui pourraient révolutionner notre manière de voir la chimie. Espérons que ces surfaces, pourtant si communes, nous réservent encore de grandes surprises!
Références :
F. Bozso, G. Ertl, M. Grunze, M. Weiss, J. Catalysis, 49 (1977) 18.
F. Bozso, G. Ertl, M. Grunze, M. Weiss, Applications of Surface Science, 1 (1977) 103.
The Nobel Prize in Chemistry 2007 - Scientific Background, http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2007/sci.html
