Un petit billet qui a pour but d'expliquer un phénomène de la vie de tous les jours : pourquoi certains matériaux collent (peinture, scotch, colle, patafix…) ?
Introduction
Il existe différentes forces à l'origine des cohésions entre les objets : magnétique, électrostatique, gravité mais si la colle justement colle, c'est à cause d'autres forces : les Forces de van der Waals (wiki) (*).
Les forces électro-magnétiques utilisent les charges électriques (électrons / protons) dans la structure même des atomes pour avoir lieu. Les forces de gravité ne sont pas tout à fait expliquées (et c'est une des raisons d'être du LHC, à Genève).
Les forces de van ver Waals, elles, s'exercent entre les molécules.
Forces de van der Waals
Dans un atome, les charges positives sont concentrés dans le noyaux, et les charges négatives sont autour : dans le nuage d'électrons. Les charges sont séparés : les positives d'un coté et les négatives d'un autre. (Il y'a un « moment magnétique ».)
On sait ce qui se passe quand on approche un pôle nord d'un aimant et le pôle sud d'un autre aimant : il y'a attraction.
Pour simplifier, il se passe la même chose ici : le noyau d'un atome exerce une force d'attraction sur le nuage électronique d'un autre atome, et les deux atomes s'attirent mutuellement.
Attention : ça n'a rien à voir avec une liaison atomique, qui permet à plusieurs atomes de former une molécule et où il y'a partage d'électrons. Ici, les électrons restent sur leurs atomes respectifs.
Ces forces décroissent très rapidement avec la distance (décroissance en 1/d6).
Elles sont très faibles, mais suffisent à coller un objet sur un autre (indépendamment des frottements, je suppose).
Applications
Comme un grand nombre de phénomènes, ces forces (qui prennent leurs origine au cœur de la matière) expliquent divers effets visibles (effets macroscopiques). En voici une petite liste :
- La colle est collante à cause de ces forces
- La peinture reste collé sur sa toile à cause des mêmes raisons
- Le café remonte dans un sucre par capillarité : les forces de van ver Waals y sont pour quelques chose !
- Le gecko, un petit lézard tropical, arrive à marcher sur les surfaces lisses grâce aux Forces de van der Waals.
- Les ménisques dans un verre ou un tube à essai sont dues à ces forces aussi.
- Spiderman… Enfin « Z-man » (un projet de DARPA, les mêmes de l'armée US qui inventèrent l'internet) pourrait monter au mur en utilisant la technique du gecko.
(*) Van der Waals : physicien Néerlandais du début du XXe (et prix Nobel de Physique) connu, entre autre pour son équation qui est une amélioration de l'équation d'état des gaz parfaits : pV = nRT). Elle y apporte le fait que dans un volume de gaz donné, les atomes occupent, du fait de leurs taille, un volume qui n'est plus négligeable à haute pression.
MISE à JOUR
Il me semble que j'ai oublié quelques détails ici. En fait, les forces de VdW viennent des délocalisations des nuages électroniques, et des régions positives et négatives ainsi créés.
Dans la molécule de HCl (Acide Chlorhydrique - celui qu'on trouve dans notre estomac), l'atome de chlore a une plus grande capacité à attirer les électrons (chargés négativement) que n'a l'atome d'hydrogène (on dit que le chlore est plus "électronégatif" que l'hydrogène). De ce fait, les électrons de la molécules seront d'avantages du coté du chlore que du coté de l'hydrogène.
La molécule sera donc plus négative d'un coté que de l'autre.
On dit qu'il y'a polarisation de la molécule et il y'a formation de ce qu'on nomme un moment dipôlaire (en gros : la molécule devient un aimant).
Chaque molécule de HCl devient un aimant, et les pôles « - » d'une molécule attire les pôles « + » de la molécule suivante.
L'explication pour l'acide chlorhydrique est valable aussi pour la molécule d'eau (l'oxygène attire les électrons des deux hydrogènes vers lui) et plein d'autres composés, dont des molécules organiques très grandes.
Ce sont la formation de ces "aimants moléculaires" qui sont à l'origine de la force de Van der Waals, et des forces de contact entre les objets comme le ruban adhésif, ou la Patafix®.