Le Monde et Nous

Partir à la découverte du monde qui nous entoure, comprendre quelques phénomènes de la nature, observer, se tenir informés des découvertes scientiques ...

23 juillet 2013

De l'utilisation des résines et des ambres *

*où il est question des archets de violon et des dents de bébés.

Pine_Resin

Source ici

Qu’est-ce qu’une résine végétale ? Quelle est sa nature chimique ? A quoi sert-elle ? Comment la transforme-t-on et pour quels usages ? Quel est la rapport avec la pierre d’ambre dont on fait les bijoux ? Toute cette série d’interrogations se sont posées à moi à la suite de deux questions bien plus pragmatiques surgissant de domaines totalement opposés :
- pourquoi les violonistes frottent-ils leur archet sur de la résine avant de jouer ?
- sur quoi reposent les effets supposés des colliers d’ambre censés soulager les maux dentaires de nos tous-petits?

La résine végétale
Bon nombre de végétaux (conifères mais aussi certains rosiers) sécrètent une substance liquide plus ou moins visqueuse qui “transpire” vers la surface et qui a essentiellement pour fonction d’assurer la cicatrisation en cas de blessure ou de se protéger en cas d’attaques de parasites. Certaines études récentes ont montré que la résine permet aussi une protection contre les hautes températures et la dessèchement

Le terme consacré pour cette “transpiration” est l’exsudation.

resineSelon l’espèce végétale, l’âge de l’individu et les conditions dans lesquelles il se développe (climat, type de sol), différents liquides de nature chimique bien spécifique vont apparaître. Ceux-ci forment un ensemble composé des résines, gommes, latex…Nous ne nous intéressons ici qu’aux résines.

La résine se distingue de la sève, car elle ne participe pas à l’alimentation du végétal, ne se trouve pas dans les mêmes conduites et n’est pas l’objet des mêmes processus de circulation  :

- la résine se trouve généralement stockée (sans circulation) dans des canaux à résine (zones de stockage  bien spécifiques) entourés de cellules fabriquant la résine. Ces canaux sont situés soit à l’intérieur sous en surface du végétal.
- tandis que la sève qui apporte les nutriments, circule dans tout le végétal dans d’autres canaux (certains pour la sève brute et d’autres pour la sève élaborée).

   A l’intérieur des cellules des conifères, des gouttelettes d’huile essentielle sont présentes (on parle d’inclusions cytoplasmiques). Les résines sont alors formées par oxydation de plusieurs de ces huiles essentielles, et sont de nature chimique variable et complexe. Une fois au contact de l’air, la résine liquide qui a exsudé se met à durcir sous l’effet de deux phénomènes (le premier physique, le second chimique):
évaporation des substances volatiles
polymérisation de certaines unités de base (celles-ci s’accrochent les unes ou autres pour former une longue chaîne).
Ce durcissement permet de protéger une zone blessée.

Mais la formation de résines peut être également physiologique car elle a d’autres atouts que nous évoquerons ci-après.

Les grandes lignes de la composition chimique
Les molécules constituant les résines correspondent à des mélanges :
- d’isoprènes (molécule à 5 atomes de carbone) plus ou moins combinés  donnant diverses structures de la grande famille des terpènes.

- de composés phénoliques secondaires issus de la transformation des sucres produits lors de la photosynthèse.

La famille des terpènes correspond à la fusion de plusieurs molécules d’isoprène (C5H8 : la brique de base) mais les mécanismes réactionnels passent par d’autres précurseurs. On distingue par exemple :

* les monoterpènes composés de deux unités isoprènes fusionnées possèdent une structure acyclique, monocyclique, ou bicyclique). Il y en a plus de 900 connus; citons le géraniol, l’eucalyptol, le menthol, le camphre)

* les diterpènes sont des molécules (à 20 atomes de carbone) élaborées à partir  des unités isoprènes. Plus de 2700 diterpènes sont présents dans la nature. Citons l’acide abiétique ou la vitamine A..

* les triterpènes sont des molécules (à 30 atomes de carbone) de structure tétracyclique ou pentacyclique. Plus de 1700 triterpènes sont présents dans la nature. Citons le squalène (dans l’huile de foie de requin mais aussi les végétaux)

D’autres terpènes encore plus complexes et élaborés existent. Exemple : les tétraterpènes à 40 atomes de carbones (le carotène) ou les polyterpènes (caoutchouc naturel)

Terpene

SourceICI

Propriétés physico-chimiques

Les terpènes sont très odoriférants car bon nombre sont des mélanges de molécules volatiles.
Ils réagissent également avec la lumière : la résine ou l’ambre (voir plus loin) apparaissent plus ou moins foncées selon l’ensoleillement.
Notons que les terpènes ont montré un rôle certain dans la croissance et le développement des végétaux (lien et ici) mais interviennent également  dans des mécanismes de communication (appât pour les pollinisateurs) et de défense pour leur survie (voir cet article sur l’insoupçonnable intelligence des plantes, un autre ici ”Les plantes ont-elles un cerveau”).

Evidemment, la proportion des différents constituants varie selon l’environnement du végétal et influe sur les propriétés physico-chimiques de la résine (fluidité et viscosité par exemple).

Les résines pour l’industrie

    Les résines possèdent certaines caractéristiques qui les rendent depuis fort longtemps, attrayantes pour l’industrie et les applications sont très diverses. Leur faculté à durcir lentement  en font de très bons vernis (technique connue depuis le 9e siècle).

Leur insolubilité dans l’eau en font un matériau très intéressant pour la préparation d’enduits d’étanchéité de navires ou de récipients en terre.

Une autre propriété intéressante des résines végétales est qu’elles sont solubles dans les alcalins et peuvent donner naissance aux savons (sels d’acides gras). Obtenus par réaction entre NaOH et les grosses molécules d’acide gras contenus dans certaines résines (ex : acide abiétique)

Elles sont également employées en médecine (usage externe et interne) de par leur effet antiseptique et antibactérien et font toujours l’objet de nombreuses recherches pour l’ensemble de leur effet pharmaceutique.

Bien sûr, les résines riches en composés volatiles aromatiques sont employées dans l’industrie des parfums.

Pour les violonistes
Attardons nous quelques instants sur une résine particulière, connue de tous : la térébenthine (aussi appelée la turpentine). Cette résine est produite par différentes espèces de pins (ex : le pin maritime). Lorsqu’on la distille (raffinage de la térébenthine), on récupère des fractions légères qu’on appelle “essence de térébenthine” utilisée comme solvant pour résines, vernis et peintures. Ces essences sont principalement constituées de monoterpènes (pinène α et β). En bas de la colonne de distillation, on récupère le résidu solide et cassant (la fraction lourde) qui porte le nom de colophane particulièrement prisée par les violonistes.

resine_ambre

Ce résidu est un diterpène de formule C20H30O2.
La colophane est en effet utilisée pour enduire les mèches des archets ce qui permet d’augmenter les frottements sur les cordes et de produire le son. Un archet neuf exempt de colophane ne produit absolument aucune note.
Voici une observation au microscope d’un crin d’archet. On y voit une superposition de petites écailles qui s’empilent comme les tuiles sur un toit. En frottant de la sorte l’archet glisse sur la corde sans frotter donc pas de son !

archet_microscope

Vue au microscope d’un crin d’archet Source_ICI

La colophane frottée sur les crins vient s’insérer entre les écailles qui, de ce fait, vont s’ouvrir et s’écarter, en augmentant les aspérités et donc le frottement sur les cordes.

Nouveaux développements de résines végétales
Le groupe français Roquette a développé une résine végtale à partir de ressources naturelles adpatée à la production de mousses injectables aux propriétés mécaniques intéressantes.

L’ambre est-elle une sorte de résine?
Oui et non …

ambre
Après la mort des végétaux et animaux, la matière organique se décompose lentement (voir un précédent article sur la décomposition après la mort). Cependant, dans certaines conditions (forte température, pression élevée, absence d’oxygène) et sous réserve que ce processus dure suffisamment longtemps (plusieurs millions d’années), il y afossilisation. C’est également le cas pour la résine, lorsque elle se trouve emprisonnée dans des couches sédimentaires.

Durant ce processus, les monomères de base “l’isoprène” se polymérisent (i.e. s’attachent ensemble, se regroupent et se réorganisent de façon plus compacte par suite de réactions (dont des cyclisations impliquant les doubles liaisons situées en bout de chaîne). Tout ceci (qui n’est pas encore parfaitement élucidé) se traduit par une forte solidification de l’ensemble : c’est la naissance de l’ambre.
Celle-ci est composée d’acide succinique (l’ambre porte d’ailleurs également le nom de succin) mais également d’autres molécules bien plus complexes (polymérisation oblige).

succinique

Acide succinique

Les colliers d’ambre contre les maux dentaires chez le tout-petit.

Une sorte de mythe règne autour de cette jolie pierre d’ambre. On lui confère depuis longtemps des vertus thérapeutiques, simplement par contact.
L’un des domaines les plus en vogue à l’heure actuelle est le collier d’ambre pour soulager les maux dentaires chez les enfants. Quelques exemples de ce qu’on peut lire sur ces fameux pouvoirs : “L’ambre, un trésor anti-douleur. (…) pour soulager les douleurs dues aux déformations dégénératives des articulations, aux œdèmes, aux inflammations chroniques et aux rhumatismes.” Les articles pseudo-scientifiques évoquent l’absorption de l’énergie négative, un effet lié au magnétisme.

dent_lait
Sur quoi reposent ces croyances ?
Peut-être est-ce la découverte de la triboélectricité par les Grecs anciens lorsqu’ils frottaient l’ambre (alors appelée “Elektron”) contre une étoffe qui a fait naître cet émerveillement ? Ou encore les propriétés optiques du matériau (changement de couleur selon la luminosité)?
La seule base éventuelle d’un effet pourrait être de supposer qu’au contact de la chaleur de la peau, des vapeurs d”huiles essentielles de la résine d’origine pourraient être relarguées et avoir un effet apaisant… L’argument est effectivement avancé en ce qui concerne l’acide succinique (présent aussi dans le vin).
Cette hypothèse a-t-elle été validée par diverses études ?
Il semble qu’aucune étude ne vienne corroborer le fait que l’acide succinique possède des effets thérapeutiques.
Une thèse médicale s’est penchée sur la question des remèdes liés aux poussées dentaires (lien)  “médecine populaire des poussées dentaires” mais l’auteure ne s’est pas attachée à vérifier si quelque étude sérieuse venait valider les faits relatifs aux colliers d’ambre. Notons que certaines dispositions ont  été prises interdisant toute publicité de ce type (voirICI) précisant qu’aucune preuve suffisante n’avait été apportée.
Les pédiatres mettent eux aussi en garde contre ces croyances très ancrées (lien) et rappellent que les interprétations d’expérience personnelles ne constituent en rien une preuve d’efficacité. Seuls des essais scientifiques menés dans des conditions qui éliminent le maximum de biais peuvent permettre de conclure s’il y a un effet supérieur au placébo. Pour l’instant, la littérature ne fournit pas ce type d’études. Et l’étiquette “naturelle” n’est en rien un gage d’innocuité et de sécurité !

Enfin, pour terminer, les risques de strangulation ne sont pas nuls, comme avec tout collier et sont donc jusqu’à preuve du contraire supérieurs aux bénéfices.

Deux très bonnes analyses réalisées ICI et  (anglais)

POur en savoir plus

http://fr.wikipedia.org/wiki/R%C3%A9sine_(v%C3%A9g%C3%A9tale)

http://www.universalis.fr/encyclopedie/resines-naturelles/

http://www.futura-sciences.com/magazines/nature/infos/dossiers/d/botanique-tout-savoir-coniferes-774/page/7/#page-50001307-2
http://fr.wikipedia.org/wiki/Colophane

http://cello-brained.blogspot.de/2011/09/trip-to-my-favorite-violin-shop-part-1.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Terp%C3%A8ne

http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/50/09/80/PDF/These-malecky.pdf

http://scd-theses.u-strasbg.fr/1583/01/Th%C3%A8se_Pauline_Burger.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Turpentine

http://www.linternaute.com/science/biologie/comment/06/fossilisation/fossilisation.shtml

http://www.legifrance.gouv.fr/affichTexte.do?cidTexte=JORFTEXT000000785514&dateTexte=

http://bioplastic-innovation.com/2013/03/20/la-nouvelle-resine-vegetale-gaialene-pour-le-moussage/

http://www.advbe.com/docs/Sinal2013-LeonMENTINK-Roquette.pdf

http://sigmaxi.org/4Lane/ForeignPDF/2007-03Santiago-Blay_French.pdf

Article de K.B. Anderson “The nature and fate of natural resins in the geosphere, Geochem. TRans, 2001,3

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17 avril 2013

Nature pernicieuse ou chimie chez Agatha Christie !

Mon collègue cafetier du blog "Sweet Random Science" a publié récemment un article sur les noyaux des fruits tropicaux qu'il aimait à récupérer et à faire pousser. Suivez plutôt cet exemple, car il semblerait que dans certaines conditions il pourrait vous en coûter beaucoup, si vous aviez l'intention de les croquer, ou d'en faire une décoction?
En effet, certains fruits ou noyaux (amandes amères ou noyaux d'abricots, de cerises ou même des pépins de pomme)  sont de véritables poisons. Certains auteurs  de romans policiers ont d'ailleurs utilisé cet artifice dans leurs histoires pour faire  disparaître le personnage encombrant !
D'autres sons de cloches vous diront au contraire que l'amygdaline (ou comme l'ont baptisée certains, la vitamine B17) est un traitement anti-cancéreux.
Tâchons d'y voir plus clair.

Amande amère : cadeau empoisonné.
Amande amère : cadeau empoisonné. Lien ICI

Quel substance-poison contiennent les amandes amères ?
Tout comme les pépins de pomme, ou noyaux d'abricots, les amandes amères contiennent un glycoside, qui porte le nom d'amygdaline (du grec "amande") car cette molécule a été découverte pour la 1e fois en 1830 dans des amandes amères.

D'abord un glycoside c'est quoi ? (on parle aussi d'hétéroside).  Le radical "ose" nous indique que c'est un sucre (voir ici pour plus d'infos) : celui-ci se trouve en association avec une autre molécule bien différente .
Ex d'hétéroside du glucose, la salicyline (molécule proche de l'aspirine dans la nature et le mode d'action)

salicyline
Molécule de salicyline (glucoside) partie gauche : le sucre simple cyclique -glucose- ,

                       partie droite : noyau aromatique.  EN rouge l' Ox
ygène - en noir le carbone

Qu'est-ce que l'amygdaline ? C'est un hétéroside cyanogène présent dans de nombreuses espèces végétales. Cyanogène, signifie que la molécule produit par hydrolyse  (lorsqu'elle se coupe) le sucre qui la compose, mais aussi de l'acide cyanhydrique (base cyanure) et le benzaldéhyde (issu du noyau aromatique).

Amygdaline : disaccharide à gauche _ Noyau aromatique et liaison CN (en bleu)
Amygdaline : Partie de gauche : disaccharide  Partie de droite : Noyau aromatique et liaison CN (en bleu)

Vous l'aurez compris, c'est la libération de cyanures soit l'anion CN- soit l'acide HCN qui constitue la source de poison. Que ce soit la forme acide ou les sels de l'anion CN (cyanure de potassium par exemple), la toxicité est très élevée.
Des études épidémiologiques rapportent bel et bien des cas d'empoisonnement au cyanure après ingestion d'amygdaline via des noyaux d'abricots [2].

D'ailleurs  dans les romans d’Agatha Christie , l'empoisonnement au cyanure se signe à la légère odeur d’amande amère qu’Hercule Poirot ne manque pas de remarquer !

Une histoire de dose
Evidemment, rien n'interdit de consommer des amandes amères (ou d'avaler malencontreusement comme cela arrive parfois un noyau de cerise !). Seulement il faut agir avec modération ! En effet, une concentration de 400 mg d'amygdaline par kg (masse corporelle) est la dose requise pour un empoisonnement mortel ;  ce qui chez un adulte de 70 Kg correspond à environ 50 amandes amères ou noyaux d’abricots  consommés coup sur coup.

Par contre, si votre consommation de ces 50 noyaux s’égrène tout au long d'une journée,  pas de panique : il n'y a pas de risque d'empoisonnement car l’organisme parvient à éliminer progressivement l’acide cyanhydrique.

NB : pour un enfant de 30 kilos, 25 amendes amères suffisent et pour un chat ou un chien, 5 suffisent !

Mode d'action du tueur
L'amygdaline devient donc dangereuse dès lors qu'elle peut être coupée, laissant apparaître le benzaldéhyde et le cyanure.  Or les organismes supérieurs possèdent des enzymes permettant d'hydrolyser les sucres et hétérosides : les glucosidases. Celles-ci sont présentes dans les intestins et la salive.
Une fois libéré, que fait le cyanure ? La liaison carbone-azote  est une liaison très forte (car liaison triple) mais ce groupe CN a également une forte tendance à s'associer avec des ions métalliques comme le Fer ou le cobalt (on dit qu'ils forment des complexes).
BRef, une fois dans le corps, l'ion cyanure libre diffuse dans  le sang vers les tissus et va chercher à se fixer rapidement sur tout ce qui contient du fer... en particulier l'hémoglobine ce qui va bloquer la respiration cellulaire des tissus.

Le cyanure d'hydrogène (HCN) a lui aussi son mode d'action, conduisant également à un déficit respiratoire. En effet, HCN inhibe l'action d'une enzyme intervenant dans la chaîne respiratoire.

Par contre, si la concentration sanguine du radical CN- n'est pas suffisante pour causer la mort, le CN- est progressivement libéré de sa combinaison avec l'ion ferrique et est transformé en ion thiocyanate (SCN-) non toxique et excrété dans les reins.

Intérêt dans la nature
Le cyanure étant toxique, leur présence dans nombre de végétaux leur permet de se défendre contre les herbivores, car oui, les végétaux adoptent toute une palanquée de moyens d'action pour survivre (voir l'article de Boris sur l'intelligence des plantes ). D'autres exemples de poisons chez les végétaux ici.
Il en est de même pour les milles pattes, chenilles ou les papillons qui libèrent le cyanure en cas d'attaque !

Source ICI http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2011/04/12/moth-and-plant-hit-on-the-same-ways-of-making-cyanide/#.UWvHaaLwmZ4
Plantes et chenilles libèrent du cyanure pour se protéger des proies. Source ICI

Conditions d'innocuité
Par contre, certaines associations du cyanure avec un autre élément le rendent inoffensif. Comme on l'a vu, le cyanure s'associe facilement avec le fer. Donc les ferrocyanures ingérés sont sans danger, ils constituent d'ailleurs des additifs alimentaires (série des E538-535-536)

En résumé, comme toujours pour les poisons, tout est question de dose et d'association !

Amygdaline : traitement anti-cancéreux ?
La molécule est utilisée dans le traitement du cancer en Russie en 1845 et en 1920 aux Etats-Unis. Pourquoi ? Comment agirait la molécule, dont on vient de montrer son effet délétère à partir d'une certaine dose ?
A la base de cette "théorie", il y a une étude épidémiologique et une hypothèse. En effet, une  tribu Himalayenne (les "Hunza") consommant énormémént de fruits secs, amandes, millet (grande richesse en amygdaline) possède une longévité exceptionnelle  et ne connaît aucune forme de cancer (quelques infos ICI, malheureusement je n'ai pas trouvé les références de l'étude épidémiologique).
Les arguments en faveur de l'activité anti-cancéreuse de l'amygdaline (aussi appelée laetrile, dans sa forme synthétique, ou vitamine B17) reposent sur l'hypothèse que les cellules cancéreuses possèdent une concentration en enzymes glucosidases beaucoup plus élevée que les cellules saines. Un postulat a également annoncé que les cellules normales transforment le cyanure en thiocyanate (non toxique). Bref, les cellules anormales seraient donc plus efficaces à produire du cyanure, à partir de l'amygdaline ingérée, ce qui provoquerait leur mort certaine par hypoxie.
Ces deux hypothèses restent cependant des hypothèses, voire se sont avérées fausses.

De nombreuses études (laboratoire, animales et pré-cliniques) ont été publiées sur le sujet visant à prouver la validité de la théorie anti-cancéreuse. Mais force est de constater que l'efficacité n'a pas pu être démontrée. Une revue bibliographique disponible ICI

Le manque d'efficacité constatée par des études sérieuses et fiables et le risque d'effets secondaires dus à un empoisonnement au cyanure ont conduit la Food and Drug Administration (FDA) aux Etats-Unis et la Commission européenne à interdire son utilisation

POur en savoir plus

http://en.wikipedia.org/wiki/Amygdalin

http://fr.wikipedia.org/wiki/Cyanure

http://www.hc-sc.gc.ca/fn-an/pubs/securit/2009-apricots-abricots/index-fra.php

Fiche INERIS du Cyanure : www.ineris.fr/substances/fr/substance/getDocument/3063

http://www.mskcc.org/cancer-care/herb/amygdalin

http://undergroundhealthreporter.com/hunza-diet-health-weight-loss#axzz2QbMgQpTd

[2] Lasch, E.E. et El Shawa, R. Multiple cases of cyanide poisoning by apricot kernels in children from Gaza . Pediatrics, 68(1): 5 (1981)

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19 février 2013

Blanche neige

En plein dans l'actualité météorologique de ces dernières semaines, je vous propose de nous plonger dans le froid de l'hiver. Qui dit hiver, dit Neige ; alors tâchons de comprendre les processus mis en jeu lors de la fabrication d'un flocon de neige. Nous examinerons aussi l'impact de la forme des cristaux sur les risques d'avalanche.

avalanche
Si vous êtes un tantinet curieux et observateur, vous avez sûrement déjà observé un flocon de neige de près, ou encore la formation de givre sur une vitre ! Il y a fort à parier que vous n'avez pas pu vous empêcher d'en admirer la beauté, la légèreté, la blancheur... et vous vous êtes même peut-être demandé comme Dame Nature avait bien pu permettre une telle oeuvre d'art ! Et bien, point de magie ni de grand architecte là-dedans car tout s'explique et repose sur une logique implaccable. 

Depuis le début des études sur le sujet (1ere descriptions par Kepler en 1611), on a noté que deux cristaux de neige ne sont jamais rigoureusement identiques mais ils ont quasiment tous comme point commun une symétrie hexagonale. Quels sont donc les facteurs déterminants sur la forme du cristal, comment jouent-ils ? Est-ce que ces différentes morphologies jouent sur le comportement d'un tapis neigeux (notamment les risques d'avalanche) ?

De nombreuses recherches sont consacrées à l'étude de la neige, sa formation, et la forme des cristaux produits. Les raisons de cet engouement sont multiples.
Tout d'abord, la neige joue un rôle important dans le cycle hydrologique de la terre : il est donc primordial de prévoir les chutes de neige qui peuvent être bénéfiques (meilleure infiltration vers les nappes) ou au contraire, présenter un risque (inondation en cas de radoucissement ou avalanches).
Rappelons également l'important rôle climatique joué par la neige (qui réfléchit les rayons solaires) et donc diminue le réchauffement global.
Une autre motivation de ces études est liée à la compréhension des phénomènes de cristallisation en général : en particulier connaître les conditions dans lesquelles les cristaux se forment le mieux? L'une des applications majeures est la cristallisation du silicium utilisé pour les puces électroniques ou la fabrication des panneaux photovoltaïques.

cristaux_silicium

Cristaux de silicium en formation : (à gauche germe de cristallisation, à droite croissance du cristal). Source ICI

La formation d'un flocon
Pour comprendre comment nous arrive la neige, il faut remonter à la source : le nuage. Mais avant le nuage il y a l'humidité de l'air.
L'air, nous le savons, contient plus ou moins d'humidité (on parle aussi de degré hygrométrique). Qu'est ce que c'est ? Tout simplement la quantité de vapeur d'eau contenue dans l'air. Cette vapeur d'eau correspond à des molécules H2O indépendantes les uns des autres (sous forme gazeuse donc) et qu'on ne voit pas... L'humidité de l'air connaît des limites : celles-ci sont imposées par la température. Plus l'air sera chaud, plus il sera "dilaté" et plus grande sera sa capacité d'accueil de molécules d'eau en son sein. A chaque température, correspond un maximum d'humidité...si des molécules d'eau arrivent et dépassent le quota autorisé, il y a condensation en minuscules gouttelettes d'eau liquide, ou en cristaux de glace (selon la zone de température rencontrée). La présence d'impuretés est nécessaire à l'apparition du premier grain de cristal qui doit s'appuyer sur un support pour "pousser". Toutes ces gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace constituent un assemblage serré de molécules ce qui les rend visibles : le nuage est formé.
Le grain de glace peut également se former à partir de gouttelettes d'eau en surfusion (l'eau est restée liquide alors qu'elle aurait dû geler, absence d'impuretés), à des températures comprises entre -5 et -40 °C lors de collision avec des impuretés. Le cristal grossit peu à peu, plusieurs cristaux se regroupent en un flocon devenu trop lourd, il y a précipiation neigeuse.

Les différentes formes du flocon
Comme évoqué dans l'introduction, deux flocons de neige seront forcément de morphologie différente : on peut voir apparaître des dendrites, des étoiles, des plaquettes, des éventails... Mais leur point commun est leur symétrie hexagonale.

glace1 glace3 dendrite

Celle-ci trouve sa légitimité dans la forme même de la molécule d'eau et sa polarité qui fait que les molécules ont tendance à s'associer en regroupant des charges opposées pour former des liaisons hydrogènes plus ou moins malléables selon qu'on est dans l'état liquide ou solide. C'est à l'état solide que le nombre de LH est maximal. Celles-ci vont chercher à adopter la meilleure configuration  (celle qui minimise l’énergie) : il s’agit d’une architecture où une molécule d’eau occupe le centre d’un tétraèdre avec à chaque sommet une molécule voisine.

Architecture optimisée dans la glace : une molécule d'eau au centre d'un tétraèdre avec au sommet une voisine (LH en pointillés)

Architecture optimisée dans la glace 
une molécule d’eau au centre d’un tétraèdre avec au sommet une voisine
(LH en pointillés)

Bref, pour construire un cristal, le phénomène d'empilement moléculaire se reconstruit de proche en proche dans les trois dimensions...et cela forme un superbe réseau hexagonal.

 

glacehexagone

Plusieurs facteurs vont jouer pour expliquer les différentes formes. La "concentration" en vapeur d'eau (on parle de sursaturation), la température et les conditions pendant la chute. Les deux premiers facteurs vont agir et équilibrer deux types de morphogénèse : 1- la tendance à former des facettes 2- La tendance à former des branches.
Ainsi, si de nombreuses molécules sont disponibles pour faire grossir le cristal, la croissance va ête rapide, et plutôt favoriser les pointes. Or dès qu'une pointe se forme, elle attirera plus facilement une molécule incidente qui aura moins de chemin à parcourir (problème de diffusion) et donc la pointe va s'accentuer, la branche apparaît. Ce type de morphogénèse donne naissance à des structures plus élaborées.
Si peu de molécules sont disponibles, donc lorsque l'humidité est faible (air sec), la croissance est plus lente et la forme "facette" va prendre le dessus.
La température va également jouer très fortement (on n'a pas encore parfaitement compris comment). Lorsque le cristal est formé dans le nuage, il va voyager, rebondir, subir d'importantes variations de températures lors de son parcours, ce qui va façonner son aspect.

Enfin pendant sa chute, les températures rencontrées vont encore remodeler la morphologie du cristal.

Conséquences de la morphologie du flocon
L'étude de la forme du flocon et de son évolution est particulièrement importante dans la prévision des risques d'avalanche en montagne. En effet, au moment où la neige se dépose, les différents cristaux sont imbriqués les uns dans les autres mais la situation évolue par le biais de transformations mécaniques (damage, vent...) ou thermodynamiques. Sous l'action mécanique, les arêtes s'émoussent et on arrive à un grain plus rond ce qui diminue la cohésion entre cristaux. Mais d'autres phénomènes antagonistes dépendant des conditions météorologiques modifient encore la forme des cristaux. Par exemple, le frittage peut se produire entre deux grains sphériques : au point de contact, la concavité "attire" la vapeur d'eau qui s'y condense. Il y a formation d'un pont de glace entre les grains. Mais le phénomène dépend de la taille des grains : s'ils sont trop gros, la cohésion de frittage est alors faible. Bref, de nombreux phénomènes entrent en jeu sur la cohésion et les risques de glissement.

POur en savoir plus :
http://www.di.ens.fr/~granboul/enseignement/formes/cristauxneige/

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17 mai 2012

Le secret des toiles d'araignée

Elles font souvent frémir avec leurs pattes velues, ce n'est pas pour rien qu'elles ont toujours beau rôle dans les films d'épouvante ! Et pourtant, elle gardent en elles un précieux trésor que l'homme cherche à élucider.

Sachons le reconnaître, l'araignée est passée maître en matière de confection de la soie. Son fil est tout à fait exceptionnel en matière d'élasticité et de résistance et ne connaît pas d'égal dans le monde animal ni même artificiel (créé par l'homme).
Ses propriétés sont telles que des applications étonnantes ont vu ou vont tenter de voir le jour :
- utilisation comme fils de sutures en chirurgie ou renforts de ligaments,
- fabrication de peau humaine artificielle (dans le cadre de greffe de peau)
- fabrication de cordes de violon à base de soie d'aragignée (réalisé par un professeur japonais (lien))
- fabrication de nouveaux matériaux plus écologiques.

Cependant, beaucoup de détails sur les secrets de fabrication restent mystérieux. Qu'est ce que le fil produit par l'araignée ? Comment s'expliquent ces propriétés exceptionnelles ? Quels en sont les bénéfices pour l'araignée ? Pourquoi de tels élans pour tenter de s'en approprier les secrets ? Quels impacts pour les biomatériaux ?

Petit tour d'horizon de ce qui est connu !

araigneeSource


Propriétés des fils et de la soie Le fil d'araignée est avant tout un fil doté d'une très grande résistance. A diamètre égal, il est 5 fois plus résistant que l'acier et 3 fois plus que les meilleurs fibres synthétiques. La deuxième propriété intéressante, sans aller à l'encontre de sa résistance, est sa grande élasticité : il peut s'allonger de 40 % sans se rompre (certaines araignées produisent même des fils pouvant s'allonger de 200%). C'est également un fil très fin, beaucoup plus que celui produit par le vers à soie. Cela conduira à une soie plus régulière car ses macromolécules sont mieux alignées.

La production des fils
La grande particularité des fils produits est qu'ils ne sont généralement pas de composition homogène. Une même espèce pouvant produire 8 types de fils différents au sein d'une même toile. Ce qui les distingue, ce sont leurs propriétés : plus ou moins solides, adhésifs ou élastiques selon la fonction qu'ils sont censés remplir dans toute l'architecture. Les plus fins, sont les plus sensibles aux vibrations, pour prévenir la bête de l'arrivée d'une proie. Ils sont néanmoins très résistants afin de supporter les mouvements rapides de l'insecte piégé qui se débat. Les plus solides, permettent d'assurer la structure de base, la stabilité de la toile et sa longévité.
Il existe aussi des fils parfumés permettant d'attirer l'araignée mâle et de stocker la nourriture et les oeufs.

En fait, ces caractéristiques semblent être fonction du régime alimentaire de l'araignée. Selon une étude allemande,  les araignées les mieux nourries produisent des toiles qui transmettent mieux les vibrations et qui se dégradent moins dans le temps.
Les autres facteurs influants sur la structure du fil et ses propriétés, sont le type d'araignée (mais au sein d'une même espèce, son âge, son poids et ses dimensions jouent) la température, la direction du filage, la vitesse d'éjection du fluide de l'insecte ainsi le pH au niveau des glandes secrétrices. En ce qui concerne le type de fils choisi par l'araignée pour construire sa toile, l'environnement joue un grand rôle (disponibilité des proies, conditions météorologiques, structure de l'habitat, présence de prédateurs et parasites...

Composition physico-chimique des fils
Une équipe allemande a publié dans "Nature" en mai 2010 (voir ICI)  les résultats d'une étude expliquant quelques unes des propriétés intéressantes des fils d'araignée.
Les fils sont donc composés de protéines (il fallait s'en douter !) constituées de longues chaînes unissant les briques de bases que sont les acides aminés. Selon la nature des acides aminés qui s'associent pour former de longues chaînes de protéines, et selon la manière dont s'effectue cette association (quels atomes se lient et comment le font-ils?), toute une palette de propriétés différentes va apparaître.

Protéines, une chaîne d'acide aminés
Un acide aminé, comme son nom l'indique est constitué d'une fonction acide R-COOH et d'une fonction amine -NH. Différents acides aminés (notation AA) s'associent grâce à des liaisons dites "peptidiques". De quoi s'agit-il ? tout simplement d'une réaction entre la fonction acide d'un AA et la fonction amine d'un autre AA : une molécule d'eau est éliminée).
Se faisant, l'arrangement spatial des atomes va être perturbé, et selon les atomes en présence, différents rapprochements (attraction de type électrostatique) vont se mettre en place : d'où l'apparition de structure en hélice (repliement local), ou en feuillets (les longues chaînes polypeptidiques se replient parallèlement côte à côte), ou sans vraiment d'organisation particulière (ce qu'on appelle "pelote statistique").
Selon les parties concernées, on observe une structure en hélice ou en feuillet ou en pelote inorganisée. Tout cela devant cohabiter, il en résulte, que dans l'espace, la protéine a une structure tridimensionnelle qui lui est propre.
Toute cette organisation à l'échelle atomique va induire les différentes propriétés physico-chimiques des protéines.

Les protéines produites par l'araignée
La protéine "fibroïne" constituant le fil d'araignée est un polymère du groupe scléroprotéine (dont font partie le collagène et la kératine, qui sont des protéines structurantes).
Les deux principaux acides aminés constituant la fibroïne, sont l'alanine (à 25-30 % environ) et la glycine (à 40% environ). Ces deux acides aminés ont comme point commun qu'ils sont de petite taille (sans gros groupements carbonés sur le côté). Ce qui facilitera le compactage et la cristallisation.

glycine_alanine

Le fluide de base pour la fabrication du fil est secreté dans une des glandes spécifiques de l'araignée (au nombre de 7 : chaque glande secrète un type de fil particulier). Il s'agit d'une solution aqueuse très concentrée de fibroïnes dépliées et désordonnées. On parle de liquide cristallin. En sortie de la glande secrétoire, le fluide passe par des tubes très fins ; toute une série de processus physico-chimique opère : les protéines s'allongent, s'alignent, des liaisons hydrogène se forment, le pH chute ce qui provoque une cristallisation partielle.
Selon les acides aminés mis en jeu, différentes structures apparaissent.
1- LEs régions riches en glycine (plusieurs séquences de 5AA se succèdent) adoptent une forme en hélice, et une organisation plutôt aléatoire : on parle de régions amorphes
2- Les régions riches en alanine se lient via des liaisons hydrogène (produisent des ponts ntre zones de protéines), et adoptent une architecture en feuillets : c'est une structure très organisée ou structure critalline.
3- Des régions semi-cristallines (moins ordonnées), permettent de connecter les feuillets plats aux régions amorphes.

araignee_structure
Source

Au sein d'un fil de soie, on a donc une cohabitation entre des régions cristallines et des régions amorphes. De cette cohabitation, vont naître les propriétés d'élasticité et de résistance caractérisant les fils.
La grande résistance est attribuée aux zones cristallines : ce sont les liaisons hydrogènes qui pontent les différentes molécules qui assurent une grande stabilité.
L'importante élasticité a été reliée en grande partie aux zones amorphes : sous l'effet d'une contrainte, les enchaînement d'AA non organisés, s'effilochent et se détendent en premier, d'où un phénomène d'extension. La présence de zones cristallines avec des feuillets  rigides permettent le retour à l'état initial après déformation.
Plus le fil est élastique, plus la séquence des 5 AA glycine est répétée.
Les régions cristallines où existent de nombreuses liaisons hydrogène sont également très hydrophobes (l'eau ne peut s'insérer car les LH sont déjà prises : cela facilite le rejet d'eau pendant la solidification et explique l'insolubilité de la soie d'araignée dans l'eau.

Il est également intéressant d'apprendre que l'araignée a le pouvoir de modifier très rapidement les propriétés du fil qu'elle fabrique, selon la nature de son environnement et donc de ses besoins. C'est en jouant sur la vitesse d'ejection du fluide (entre 1cm/s lors de la construction d'une toile et 10 cm/s pendant une descente rapide)qu'elle va pouvoir ajuster les caractéristiques du fil produit. En effet, plus le fluide est éjecté rapidement, plus les cristaux formés seront de petite taille : ils s'aligneront d'autant plus uniformément et la résistance de la fibre sera accrue.

araignee_cordeviolon
Source

Utilisation et fabrication naturelle ou artificielle

Parmi les autres propriétés prisées, notamment dans le corps médical est sans nul doute la grande biocompatiblité du fil d'arachnides. En effet, des études et tests ont montré qu'utilisé pour fabriquer de la peau artificielle, aucun phénomène de rejet ne serait observé et de plus, on assiste au développement de cellules présentes chez l'homme (kératocytes et fibroblastes).
Néanmoins, la production en grande quantité se heurte à plusieurs problèmes :
- l'araignée produit assez peu de fil comparativement au ver à soie... un élevage plus que conséquent serait alors nécessaire.
- la cohabitation des araignées est très difficile; l'amie étant quelque peu cannibale envers ses congénères.

L'idée poursuivie par quelques laboratoires, consiste à modifier génétiquement certains vers à soie pour qu'ils produisent les bonnes protéines. Néanmoins, le fil produit, n'a pas encore, à l'heure actuelle les propriétés de ses voisines arachnides.

Pour en savoir plus

http://tpe-biomimetisme.1eres.over-blog.com/article-les-araignees-62860261.html

http://soiearaignee.wifeo.com/proprietescomposition.php

http://leventtourne.free.fr/toutbetes/Toiledaraignee/cavadesoie_fil.htm

http://blogs.discovermagazine.com/notrocketscience/2012/01/03/genetically-engineered-silkworms-with-spider-genes-spin-super-strong-silk/

http://www.lesliebrunetta.com/spider_silk_br__evolution_and_400_million_years_of_spinning__waiting__snagging___94619.htm

http://presse-et-multimedia.fr/blog/sante/araignees-pour-fabriquer-peau-artificielle

http://sciencetonnante.wordpress.com/2012/03/26/pourquoi-les-toiles-daraignees-sont-elles-si-resistantes/

http://www.usinenouvelle.com/article/biomateriauxdu-fil-d-araignee-en-guise-de-tendonsen-utilisant-des-proteines-d-araignee-en-chirurgie-les-chercheurs-esperent-ainsi-donner-naissance-a-un-veritable-spiderman-d-ici-a-cinq-ans.N109163

http://www.lepoint.fr/science/il-fabrique-des-cordes-pour-violon-en-soie-d-araignee-06-03-2012-1438382_25.php

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24 septembre 2009

Dossier Mer (2/2)

Bonjour

Suite de la petite présentation sur le thème de la mer, les ressources, son rôle dans le climat, les menaces ...issu d'une petite synthèse du dossier spécial de La recherche " La mer" d'août 2009.

mer3

Source ICI

Origine des Océans sur Terre

L’auteur (B. Marty) nous invite à un voyage dans le temps pour expliquer l’origine de l’eau sur Terre…ou comment l’eau liquide est apparue sur notre planète il y a 4.4 milliards d’années alors qu’il y faisait si chaud ? Quelques pièces manquent encore au puzzle mais il explique que la vapeur d’eau qui composait à 90% l’atmosphère primitive s’est condensée…sous l’effet d’une soudaine et rapide baisse de la température. Comment et pourquoi ? L’hypothèse évoquée est une diminution du CO2 atmosphérique qui a réagi avec le manteau terrestre pour former des carbonates (mais cela reste une hypothèse). Cette vapeur d’eau en grande quantité aurait été apportée par des météores de grande taille, fort riches en hydrates.
Question du devenir, quantitativement peu d’eau est perdue (par dissociation en haute atmosphère par les UV du soleil) et les apports (via des météorites) sont également faibles. Mais qualitativement, le réchauffement va nécessairement augmenter la part de vapeur d’eau dans l’atmosphère (ce qui accentuera l’effet de serre) et l’acidification va forcément perturber les équilibres chimiques.

La glaciation des Océans (J. Kirschvink)

L’histoire de la terre et des Océans est marquée par plusieurs grandes périodes de glaciation et la Terre s’est transformée en une énorme boule de glace. Beaucoup de controverses sur le sujet dans le monde scientifique notamment autour de la glaciation au niveau des tropiques trop proche du soleil. Mais lorsque les océans commencent à refroidir et à se solidifier, les calottes glacières s’étendent et lorsqu’elles parviennent à 30° de latitude, les rayonnements solaires sont réfléchis par la glace et l’énergie absorbée par la terre est moindre : le refroidissement s’emballe* et la Terre se transforme entièrement en une boule de glace.

Comment expliquer l’entrée dans l’ère glaciaire ?  par la baisse des gaz  à effet de serre (CO2, CH4). La modification de la position des continents sur la Terre (plusieurs morceaux dans des zones chaudes) favorise l’altération des roches silicatées (puits de CO2)** La baisse du CH4 qui est également évoquée est due à une augmentation de la concentration en O2 (CH4 est très instable en présence d’oxygène).

Comment expliquer la sortie de l’ère glaciaire ? C’est encore une fois le rôle joué par CO2 atmosphérique qui est primordial. Pendant l’ère glacière, l’équilibre entre l’apport et la consommation de CO2 se rompt : l’activité volcanique produisant du CO2 s’est poursuivie tandis que la consommation reste bloquée par la présence de la glace (photosynthèse et phénomène d’altération des roches silicatées**).  Le CO2 s’accumule pendant plusieurs millions d’années et la surface de terre se réchauffe mettant fin à la glaciation.

*C’est l’emballement inverse que notre époque risque de connaître: la fonte des glaciers sous l’effet du réchauffement induira une diminution du réfléchissement des rayons lumineux, et donc la hausse des températures sera davantage accentuée.

**Les roches silicatées fixent le CO2. Ce phénomène est accentué par les précipitations, l’érosion mécanique, une augmentation de température.

Les îles menacées
La journaliste, grâce aux explications d'A. Cazenave (membre du GIEC et chercheur au Lab. d'études en géophysique et océanographie spatiales de l'Observatoire Midi-Pyrénées), nous dresse un état des lieux des menaces sur nombre d'îles.
Ce qui les menace, c'est l'augmentation des niveaux de la mer d'une part mais aussi les fortes tempêtes, l'intensification de l'érosion côtière. Tout cela semble lié au changement climatique.

L'augmentation des niveaux de la mer est de 3 mm en moyenne (mesures via des marégraphes et des satellites), chiffre relativement faible mais en accélération depuis un peu plus d'un siècle, et la tendance n'est pas prévue à la baisse ce qui nous conduirait à une élévation de l'ordre de 40 cm en moyenne d'ici 2100, voire même 4 à 6 m selon d'autres études. Ce phénomène engendrerait alors la disparition de nombreuses îles (Polynésie, Maldives ...)
Les causes sont liées à une dilatation des océans sous l'effet de leur augmentation de température, la fonte des glaces continentales (montagnes) et des calottes polaires : le détachement des glaces de l'Antarctique, du Groenland (ce dernier perd actuellement environ 130 milliards de tonnes de glace par an !!) est en cours d'étude. En ce qui concerne ce dernier point, il y a encore pas mal d'incertidues sur les mécanismes mis en jeu ce qui entrave la qualité des prévisions à long terme.
En ce qui concerne l'expansion thermique des océans, il est à noter qu'elle n'est pas uniforme d'une région à une autre ce qui n'est pas non plus pris en compte, pour l'instant, dans les modélisations.

groenland

Icebergs dans la baie de Disko (côte ouest du Groenland) Photo Anny Langanné Source ICI

L'autre impact du changement climatique sur les îles est lié à une modification des précipitations, du régime des vents et des tempêtes. Tout cela provoque une augmentation de l'érosion des côtes (vagues plus énergétiques, fluctuations rapides du niveau de la mer, érosion des sols par ruissellement).  Une corrélation a été établie entre la température des eaux et la force des cyclones... ce qui laisse présager une intensification de ces derniers.
Mais d'autres phénomènes sont également à prendre en considération : certaines espèces de coraux (mais pas toutes) pourraient atténuer ce phénomène d'érosion en ralentissant les vagues...mais les fortes tempêtes peuvent endommager les récifs ...l'augmentation de la température des océans a également un impact sur la vitesse de croissance de certaines espèces de coraux, et fort heureusement dans le bon sens ! Bref, de nombreux paramètres sont liés et interagissent les uns sur les autres, ce qui rend les modélisations délicates et des prévisions précises difficiles.

glaciersuisse

Les glaciers suisses continuent de fondre © SNAT.ch

Pour en savoir plus :

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/climatologie-1/d/la-theorie-de-la-terre-boule-de-neige-confirmee-par-loxygene-17_16170/

http://www.snowballearth.org/cause.html

http://www.snowballearth.org/end.html

http://www.wwf.fr/s-informer/nos-missions/oceans-et-cotes

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05 septembre 2008

Des légumes toujours verts !

Bonjour

Avez-vous déjà remarqué la belle couleur verte que prennent certains légumes (exemple des poireaux) dans les premières minutes de leur cuisson à l’eau bouillante ? Si l’on poursuit la cuisson, le vert s’estompe et devient fade.

La cuisson à la vapeur permet par contre de maintenir de belles couleurs à nos légumes…et des légumes bien colorés sont plus jolis et appétissants dans nos assiettes !

Alors voici quelques petites explications de ces phénomènes.

Le vert des légumes

Pourquoi les légumes et les végétaux plus généralement sont-ils verts ? A cause de la chlorophylle, un pigment présent dans toutes les plantes vertes. La fonction de la chlorophylle est très importante car c’est cette molécule qui permet à la plante de se nourrir grâce à la photosynthèse.

chloro
Source ICI

La chlorophylle est une famille de molécules (contenue dans les chloroplastes, principalement présentes dans les feuilles) dont la forme est un gros motif carré avec en son centre un atome de magnésium*. Sa formule est C55H70MgN4O6

Chlorophylle

La photosynthèse est la réaction permettant sous l’action de la lumière, de fabriquer le sucre pour nourrir la plante à partir d’eau et de dioxyde de carbone (CO2).

La réaction peut se schématiser de la façon suivante  :

6 CO2 + 12 H2O + énergie è C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O

L’énergie est apportée à la plante via la lumière et précisément par l’action des chloroplastes. Ceux-ci absorbent la lumière naturelle, mais pas tout le spectre…la partie correspondant au vert est réfléchie, ce qui lui donne cette belle couleur caractéristique.

*Un sol pauvre en magnésium rend la synthèse de la chlorophylle difficile. Les feuilles naissantes seront d’un vert pâle-jaune.

La cuisson

Les cuisinières l'ont toutes observé : au tout début de la cuisson à l’eau, le vert des poireaux s’intensifie. Ceci est dû à la libération de gaz entre les chloroplastes. Les poches d’air se comportent alors comme des loupes à chloroplaste qui rend le vert plus intense.

Oui mais lorsque la cuisson se poursuit, le vert devient beaucoup plus fade et tend à se transformer en jaune brun. Ceci est dû à la modification de la structure de la molécule de chlorophylle qui donne la phéophytine. Une molécule issue de la transformation de la chlorophylle par perte de son « magnésium » : la phéophytine est une chlorophylle dépourvue de l’atome de magnésium.

La molécule de chlorophylle se trouve ainsi transformée car lors de la cuisson, des acides organiques se trouvent libérés dans l’eau de cuisson. Et les H+ (caractéristiques des acides, voir l'article sur ce blog ), vont se substituer au Mg2+ caractérisant la chrlorophylle.

La phéophytine réagit avec la lumière de façon différente ce qui lui donne cette couleur brune.

Pour conserver la couleur

Pour éviter cette transformation de la chlorophylle et garder ce beau vert, il vaut donc mieux favoriser les cuissons sans contact avec l’eau (d’où la cuisson à la vapeur) pour éloigner au maximum les H+.

Une grande quantité d’eau permet également de diluer l’acide et donc de garder la chlorophylle plus longtemps.

asperges

La chimie des couleurs de l’automne

La chlorophylle n'est pas un composé très stable: la lumière brillante du soleil la décompose. Ainsi, en été, pour garder cette belle couleur verte de leurs feuilles, les plantes en synthétisent continuellement.

En automne, les températures plus basses (surtout la nuit) favorise la destruction de la chlorophylle et le renouvellement chlorophyllien se trouve fortement ralenti. Seul reste en place dans les feuilles un autre pigment, jusque là masqué par la chlorophylle, la carotène (plus stable)  qui réfléchit la lumière jaune.

automne
Source ICI

Les rouges, les pourpres, et leur combinaisons qui caractérisent le feuillage d'automne proviennent d'une autre famille de pigments : les anthocyanes. A la différence des deux précédents, ceux-ci n’apparaissent qu’au moment de l’automne. Pourquoi la synthèse d’un nouveau pigment au moment même où les feuilles vont tomber ? Plusieurs théories sont avancées…dont en particulier la possibilité grâce à ce pigment de se protéger des effets de la lumière afin de récupérer un maximum de nutriments présents encore dans la feuille avant sa chute.

Pour en savoir plus

http://fr.wikipedia.org/wiki/Chlorophylle

http://www.scienceamusante.net/wiki/index.php?title=La_chlorophylle

http://fr.wikipedia.org/wiki/Changement_de_couleur_des_feuilles

http://www.looknature.fr/main/focus/details/feuillesaut.php

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14 juin 2008

En Osmose !

Dans la vie courante, "Etre en osmose" signifie "être sur la même longueur d'onde, en parfait accord, en symbiose".

Qu'en est-il de ce phénomène physico-chimique qui régle de nombreux phénomènes de notre vie quotidienne ?

Définitions
La nature aime les choses équilibrées et c'est ce qui régit généralement les ph"nomènes de transport de matière et transferts de chaleur.

En ce qui concerne la matière, nous allons d'abord distinguer la diffusion de l'osmose.
La diffusion est un transfert de soluté au sein d'un solvant permettant d'obtenir une concentration parfaitement homogène dans tout le volume considéré. C'est la goutte d'encre qui est ajoutée dans un verre d'eau et qui peu à peu "diffuse" pour que la concentration soit partout la même.
Il s'agit donc d'un mouvement du soluté (c'est à dire du composant dissous) de façon à se répartir uniformément.

Le but de l'osmose est également d'atteindre une concentration uniforme mais elle mets en jeu une membrane semi-perméable ne laissant passer que les plus petites molécules : en particulier les molécules d'eau. Ainsi, contrairement à la diffusion, c'est l'eau qui va migrer de la zone la moins concentrée vers la zone la plus concentrée afin d'équilibrer les concentrations de par et d'autre de la membrane.

Exemples de la vie quotidienne

  • Dans les végétaux
    La plante va chercher son eau dans la terre par osmose et c'est ce phénomène qui est à l'origine de la turgescence (assurant la rigidité et la maintien des végétaux)

    Les racines des arbres portent dans la zone voisine de leur extrémité de très nombreux poils. Un poil absorbant est une cellule allongée qui peut atteindre 1mm de long sur 0,01mm de diamètre avec une très grande cavité interne : la vacuole. Le contenu de la vacuole est constitué d’eau et de substances dissoutes. Le poil absorbant est en contact, par sa face externe, avec l’eau du sol qui contient également des substances dissoutes. Or, la concentration du suc vacuolaire est supérieure à celle du milieu extérieur. L’eau pénètre donc par osmose dans les poils absorbants.

    osmose

Autre application : il n'est pas conseillé de mettre de l'engrais trop près d'une plante car dans ce cas, il y a risque la concentration en sels soit plus élevée dans le milieu l'extérieur qu'au niveau des vacuoles impliquant ainsi une migration de l'eau en dehors de la plante...

  • Dans la cuisine
    Saler la viande en début de cuisson la rend sèche. pourquoi ? La viande est un ensemble de cellules, compartiments contenant des sels et séparés par des membranes cellulaires ne laissant passer que les petites molécules. En salant en début de cuisson, le phénomène d'osmose favorise la migration de l'eau vers l'extérieur (afin d'égaliser les concentrations), la viande se déssèche.
    Une conséquence est que la salaison permet de conserver les aliments plus longtemps. Une viande sans eau et durcie en surface limite le développement des bactéries.
    Le principe de conservation des fruits dans la confiture repose sur le même principe : la grande quantité de sucre ajoutée fait sortir l'eau des fruits ce qui empêche la prolifération bactérienne.

fraise

confiture
Source :ICI

  • Dans le corps humain

C'est l'osmose qui intervient dans les échanges respiratoires. Elle permet le passage des petites molécules comme l'oxygène ou le dioxyde de carbone entre l'air contenu dans les alvéoles et les globules sanguins circulant dans les capillaires.

  • L'osmose inverse comme méthode de purification de l'eau

  Comme nous l'avons vu, l'osmose est la migration "naturelle" du milieu le moins concentré vers le milieu le plus concentré de façon à uniformer les concentrations.

En appliquant une pression (supérieure à la pression osmotique, d'autant plus élevée que la concentration est élevée), on parvient à inverser le sens de migration de l'eau qui passe alors à travers une membrane semi-perméable, du milieu de plus concentré vers le milieu de moins concentré : on obtient une fraction très concentrée appelée "concentrat" et une fraction d'eau très pure.

osmoseinv

Source ICI

A bientôt

Pour en savoir plus

http://culturesciences.chimie.ens.fr/dossiers-experimentale-extraction-article-TechMembranaires.html

http://hygiene-alimentation.com/cuissons_aliments.php

http://fr.wikipedia.org/wiki/Osmose_inverse

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03 décembre 2007

Flotte ou coule !

Bonjour tout le monde

Cela faisait un petit moment que je n'avais pas publié mais les préparatifs de Noël n'aident pas. Je voulais vous parler aujourd'hui de ce bon vieux principe d'Archimède, que nous cotoyons à chaque fois que nous nageons.

Tout d'abord l'Homme :

archimede

Archimède est un savant grec qui vécut à Syracuse (Sicile) de 287 av JC à 212 av JC. Il est connu pour ses multiples travaux scientifiques, théoriques ou pratiques, que ce soit en mathématiques ou en Physique. Parmi ces derniers, son Traité des corps flottants jette les bases de ce qui sera plus tard la science nommée hydrostatique.

Le principe :

"Tout corps plongé dans un fluide, entièrement mouillé par celui-ci ou traversant sa surface libre, subit une force verticale, dirigée de bas en haut et égale au poids du volume de fluide déplacé ; cette force est appelée « poussée d'Archimède ».

Explications :

Notons tout d'abord la différence fondamentale en sciences, entre le poids et la masse. Le poids noté P est une force, exprimée en Newtons : c'est celle qui nous attire au sol. La masse m est ce que nous indique notre bonne vieille balance et s'exprime en kg.

LEs deux notions sont bien sûr liées : P=m. G où G est une constante appelée accélération de la pesanteur (lâchez un objet du sommet de la Tour Eiffel, au moment où il quitte votre main, il a une vitesse nulle mais il va acquérir une vitesse de plus en plus grande, une accélération donc, qui n'est autre que G (qui vaut 9,8 m/s2) jusqu'à s'écraser lamentablement sur le sol...

Un objet flottant qu'on dépose sur l'eau (par exemple) va s'enfoncer d'un certain volume : celui de la partie immergée correspond à l'expression "volume déplacé" dans l'énoncé d'Archimède. Cet objet subit une poussée d'archimède notée PA

PA = ρeauVimmergé . G où ρeau est la masse volumique de l'eau

Flotte ou coule :

La poussée d'archimède (qui pousse vers le haut) s'oppose toujours au poids de l'objet qui l'attire vers le fond. Selon que la force d'Archimède est supérieure ou inférieure au poids de l'objet, il coule ou flotte (voir illustration avec une balle)

archimede

Source ici

Qu'est ce qui fait que le poids ou Archimède l'emporte ??

Il suffit de réécrire les expressions des deux forces PA et P

P = ρVG
PA = ρeauV G
P / PA = ρ / ρeau

Ainsi tout est une question du rapport de masse volumique ou de densité (il y a juste un facteur 1000 entre la notion de densité et masse volumique) entre l'objet et le fluide.

  • Si la densité du solide est supérieure à celle du fluide, alors le solide coule.
  • Si la densité du solide est égale à celle du fluide, alors le solide demeure immobile ; il est en équilibre neutre ou indifférent.
  • Si la densité du solide est inférieure à celle du fluide, alors le solide remonte vers la surface.

Applications :

- Les  bateaux qui sont pourtant en acier (densité plus élevée que celle de l'eau) flottent : en fait la densité globale est bien inférieure à celle de l'eau, car le bateau contient beaucoup d'air (seule la coque est en acier)

- L'eau douce ayant une masse volumique plus faible que l'eau salée, la poussée d'Archimède est plus forte dans la mer Morte (mer la plus salée du monde) que dans un lac. Il est donc plus facile d'y flotter.

- Pour maintenir un niveau de flottaison constant et assumer une meilleure stabilité, les navires sont pourvus de ballasts qu'ils peuvent remplir ou vider suivant leur cargaison ou la salinité de l'eau dans laquelle ils naviguent

- Les sous-marins contrôlent leur masse volumique en utilisant également des ballasts.

- Des œufs frais s'en vont au fond de l'eau ; s'ils flottent, ils ont déjà perdu de leur poids par dessèchement du contenu. Dans de l'eau très salée, les œufs frais flottent également, car dans cette eau plus lourde, ils ne peuvent pas aller au fond.

MErci de votre attention.

Pour en savoir plus :

http://fr.wikipedia.org/wiki/Pouss%C3%A9e_d'Archim%C3%A8de

http://cm1cm2.ceyreste.free.fr/gege/physicien_gg33-68.htm

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12 septembre 2007

où il est question de nuages et d'avions...

Bonjour à tous,

Aujourd'hui, je vais vous parler des nuages... de quoi sont-ils constitués ? comment se forment-ils ?

Lumière sur les nuages :

nuagec

Les nuages sont des collections de petites gouttelettes d'eau et/ou de cristaux de glace dans l'atmosphère en concentrations assez grandes pour être visibles Il ne s'agit donc pas comme on le croit souvent de vapeur d'eau...

Alors pourquoi se forment-ils ? Pour répondre à cette question, il faut regarder d'un peu plus près les intéractions entre l'air et la vapeur d'eau présente dans l'air.

L'air est constitué d'un certains nombre de composés gazeux dont le d'oxygène (heureusement pour nous), de l'azote en grande partie et d'autres composants comme l'eau sous forme de vapeur d'eau. La quantité relative d'eau sous forme vapeur contenue dans l'air ambiant définit l'humidité ou encore l'hygrométrie.

Plus l'air est froid, moins il peut stocker de vapeur d'eau. A l'opposé, plus l'air est chaud, plus il peut stocker de molécules d'eau à l'état vapeur. Souvenez-vous ici, je vous racontais que la température était une mesure de l'état d'agitation d'un système. Ainsi, à haute température, les molécules d'air s'agitent dans tous les sens et s'écartent les unes des autres (d'où la dilatation des gaz quand on les chauffe) : il y a plus de place pour y loger les molécules d'eau de façon individuelle.

Quelques valeurs :

-A 0°C, l'air peut contenir jusqu’à 4,8 g de vapeur d’eau par m3

- A 10°C, l’air peut contenir  jusqu’à 9,4 g de vapeur d’eau par m3

- A 20 °C, l’air peut contenir jusqu’à 17,2 g de vapeur d’eau par m3 d’air

Les valeurs données sont un maximum, on dit qu'on a alors un air "Saturé". En dessous du maximum, on définit alors une humidité relative. 50 % d'humidité relative signifie que l'air contient la moitié de l'eau sous forme vapeur que ce qu'il pourrait contenir.

NB : L'humidité relative est un pourcentage tandis que l'humidité absolue est la quantité de vapeur / kg d'air sec.

Autre notion importante à retenir : la vapeur d'eau est un gaz INVISIBLE !! donc dès qu'on voit un filet, un nuage, un tourbillon, une trace dans le ciel ou dans l'air, ce n'est donc pas de la vapeur mais de la condensation sous forme de minuscules gouttelettes d'eau.

Lorsqu'on monte en altitude, la température décroit, ainsi que la pression (qui est le poids de la colonne d'air au-dessus), la quantité d'eau que l'air peut contenir diminue et à partir d'une certaine température ou altitude, la vapeur d'eau se condense : les molécules se regroupent pour passer à l'état liquide, sous forme de petites goutelettes ou sous forme de cristaux de glace (ce point dépend de la température rencontrée et de la présence de "points d'accroche pour les cristaux", qu'on appelle "noyeu de condensation", ce sont des micro poussières ou aérosols...).

Et quand pleut-il ?

Les gouttelettes d'eau ou de cristaux de glace doivent être grossis considérablement afin d'atteindre des tailles assez grandes pour tomber sous forme de pluie ou de neige.

1 million de gouttelettes d'eau dans un nuage =  formation d'une goutte de pluie.

Et le brouillard alors ??

brouillard

C'est purement et simplement un gros nuage qui est au ras du sol. La nuit, le sol ou les objets se refroidissent généralement plus vite que l'air chargé d'une certaine quantité de vapeur d'eau, il y a donc une inversion de température. L'air près du sol devient alors vite saturé en humidité et tout l'excédent se condense : d'où l'apparition du brouillard. LE brouillard apparaît aussi au-dessus des cours d'eau, des lacs qui par évaporation saturent l'air puis dépassent la saturation.

Si le sol et les objets présents sont à une température inférieure à 0°C, les minuscules gouttelettes d'eau qui vont s'y déposer, vont former du givre : on parle alors de brouillard givrant.

Le brouillard se dissipe lorsque le réchauffement (soleil, activité humaine) permet l'évaporation des gouttelettes d'eau.

Enfin un petit mot sur les traînées des avions

trainee

Source : Hommage aux "fous volants" : du F-16 à la navette spatiale. Document T.Lombry.

Il s'agit exactement du même phénomène : les gaz d'échappement de l'avion produisent de la vapeur d'eau. Les traînées d'échappement résultent de la saturation en vapeur d'eau des couches atmosphériques traversées par l'avion; cette saturation donnant lieu à la condensation et à la solidification ensuite d'une quantité suffisamment importante de vapeur d'eau.

Merci de votre intérêt et à bientôt.

Pour en savoir plus

Posté par pascale72 à 00:00 - Nature - Commentaires [4] - Permalien [#]

23 juillet 2007

Qui se ressemblent, s'assemblent !

Bonjour tout le monde,

Je continue aujourd'hui sur ma lancée du monde de l'eau en vous parlant de son très grand pouvoir de dissolution...

cascade

Cascade de Jonathan's Run (source)

Tout d'abord, quelques définitions.

La solubilité dans l'eau, est la capacité que possède une substance (qu'on appelle soluté) de se dissoudre (ne pas dire " fondre") dans le solvant (ici l'eau). Une fois la substance dissoute, on ne la voit plus...

Dans la plupart des liquides, il existe une quantité limitée de soluté pouvant être dissout. Quand on atteint cette quantité, on dit qu'on atteint la "saturation"...Au delà de la saturation, le soluté ne se dissout plus, la solution est sur-saturée.

L'eau a un pouvoir de dissolution très grand pour de nombreux solutés.

La solubilité du sucre par exemple est de 2 kg/l à 20 °C, et de 4 kg/l à 80 °C.

A 20 °C, on peut donc dissoudre 2 kg dans 1 l d'eau. Le moindre grain de sucre supplémentaire restera visible en phase solide.

eautransp

La transparence de l'eau qui pourtant contient énormément de minéraux dissous. (Source)

Le sucre n'est qu'un exemple mais l'eau permet de dissoudre énormément de composés : des substances ioniques (sel de cuisine par exemple), des substances moléculaires (sucre, les alcools...), des gaz (ammoniac, l'oxygène, CO2)...

Quelques explications :

Pourquoi est-ce si facile pour l'eau ? Et bien, rappelez vous dans un précédent article (clic clic), j'évoquais la "petite" molécule d'eau et sa "polarité" (délocalisation des charges + d'un côté et charge - de l'autre). Ce qui veut dire que chaque molécule d'eau se comporte comme un petit aimant !

Qui se ressemblent, s'assemblent...toutes les substances qui comme l'eau, sont polaires  vont bien s'entendre avec les molécules d'eau... Les côtés négatifs de l'eau attirent les régions positivement chargées du soluté, et vice versa pour les charges positives. L'ammoniac (NH3, gaz) par exemple est très polaire, il y a donc apparition de liaisons hydrogène qui permettent de fixer une grande quantité de NH3 aux molécules d'eau.

De la même façon, tous les sels (composés ioniques donc chargés) sont très solubles dans l'eau qui comme un aimant attire les charges. Lorsqu'un grain de sel pénètre dans l’eau, il est entouré de nombreuses molécules d'eau. La relative petite taille de ces molécules d’eau fait que plusieurs d'entre elles entourent la molécule de soluté. Il semble disparaître...

Lorsqu'on dépasse la saturation, il n'y a plus assez de molécules d'eau pour entourer le soluté...on a atteint la limite de solubilité. Les molécules de soluté sont proches les unes des autres, et sont en assez grand nombre pour être visibles.

Pourquoi une grande solubilité vis à vis des sucres et des alcools ? car même s'il s'agit de molécules de plus grande taille (comparé à l'oxygène, NH3 ou le sel), ce sont des molécules polaires donc avec des charges localisées.

Que contiennent les eaux de source ? des substances dissoutes essentiellement sous forme ionique. Celles-ci proviennent de la dissolution des minéraux des roches (calcaires,  gypse ...) Les roches silicatées n'apportent guère que du sodium, du potassium et des éléments rares (traces).

Une autre source parfois non négligeable est la pollution agricole (nitrate et phosphate) et industrielle (sulfate).

Influence de la température ?

Généralement, lorsqu'on augmente la température, la solubilité d'un soluté augmente (revoir l'exemple du sucre). Rappelez vous, la température est liée à l'agitation des molécules. Lorsqu'il fait plus chaud, l'agitation augmente et il y a plus de chance de favoriser les rencontres soluté/solvant !

Il y a des exceptions bien sûr ! le calcaire par exemple, qui se dépose (donc diminution de la solubilité dans l'eau) beaucoup plus dans les conduites d'eau chaudes. On expliquera pourquoi un jour...

Les substances qui ne sont pas solubles dans l'eau...

Ce sont donc des substances de nature différente de l'eau ayant donc peu d'affinité avec elle : ce sont les molécules apolaires (pas de charge localisée) qui ne sont pas attirées par l'aimant.

Toutes les molécules grasses sont des molécules apolaires : on comprend ainsi pourquoi il est difficile de les déloger d'un vêtement par exemple. Dans ces cas là, il faut faire appel à une substance intermédiaire qui se lie à la fois à l'eau et à la graisse, ce sont les lessives et les savons...

savonbulle

A une prochaine fois pour la suite....

Pour en savoir plus :

http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5754

http://users.skynet.be/meeki/Chimie/Chimie.html

http://fr.wikipedia.org/wiki/Solubilit%C3%A9

Posté par pascale72 à 00:00 - Nature - Commentaires [5] - Permalien [#]