Colloïde

Le lait est une suspension colloïdale de globules gras dans une suspension à base d'eau.

Colloïde vient du grec kolla (colle), nommé ainsi par Graham en 1861^[1] car la substance ne diffuse pas à travers une membrane semi-perméable. Dans un fluide, il forme une dispersion homogène de particules dont les dimensions vont de 2 à 2000 nanomètres. Ces particules ont donc la taille d'une nanoparticule, même si elles ne sont pas spécifiquement considérées en tant que telles. On parle de « suspensions » pour un colloïde et non de « solution ».

Un colloïde peut aussi être une substance sous forme de liquide ou galénique semi-solide comme certaines préparations pharmaceutiques, cosmétiques, etc. qui contiennent en suspension des particules suffisamment petites pour que le mélange soit homogène.

Les colles et les gels sont des colloïdes et forment des suspensions dites colloïdales. Les suspensions colloïdales sont intermédiaires entre les suspensions (particules de taille supérieure à 200 nm) et les solutions vraies (particules de taille inférieure à 2 nm).

La pectine (polysaccharide), certaines protéines, telles l'ovalbumine ou la gélatine, forment des suspensions colloïdales, dites macromoléculaires et permettent de fabriquer des flans et des gelées. D'autres glucides de haut poids moléculaire, tels l'amidon ou la cellulose, peuvent également former des colloïdes. Les peintures sans odeur, le lait ou le plasma sanguin sont des suspensions colloïdales. Les métaux, comme l'argent (Collargol) ou l'or, peuvent se présenter sous forme de suspension colloïdale, bien qu'il s'agisse plutôt de micro-suspension. Les composés tensio-actifs (détergents) forment des suspensions colloïdales dites micellaires. Les pellicules photographiques sont des gels.

Définition d'un colloïde

Traditionnellement le domaine colloïdal est défini à partir de quelques lois décrivant un comportement spécifique de la matière pour une échelle caractéristique de ses composants colloïdaux s'étalant du nanomètre au micromètre. Le système colloïdal est un mélange, constitué d'au moins une phase dispersée dans un milieu suspensif (id. phase dispersante)^[2]. La caractérisation principale de ce mélange est l'effet négligeable des effets de gravitation par rapport à ceux de l'agitation thermique, dont la conséquence est l'absence de précipitation des particules colloïdales. A l'autre bout de l'échelle, les particules colloïdales doivent être suffisamment grosses pour que ce ne soit pas un mélange vrai (dans lequel les particules sont dissoutes et non suspendues), c'est-à-dire que ces particules ont une taille supramoléculaire et sont beaucoup plus grosses que les molécules du milieu porteur. De par cette définition, on comprend qu'il ne peut y avoir de suspension colloïdale de type gaz/gaz.

On distingue différentes catégories de colloïdes selon la nature des phases en présence :

Milieu \ Phase		Phase dispersée
		Gaz (bulles)	Liquide (gouttes)	Solide (particules)
Milieu continu	Gaz	AUCUN (Tous les gaz sont miscibles)	Aérosol liquide Exemples : brouillard, brume, nuage	Aérosol solide Exemples : fumée, particules aériennes
	Liquide	Mousse Exemples : crème fouettée, mousse au chocolat	Émulsion Exemples : lait, Pastis, mayonnaise, savon liquide	Sol Exemples : peinture, encre
	Solide	Mousse solide Exemples : aérogel, polystyrène expansé, pierre ponce	Gel Exemples : gélatine, gelée, fromage, opale	Sol solide Exemple : verre groseille

Par abus de langage, on verra souvent l'appellation colloïde désigner seulement la phase diffusée (la plus "fine").

État des connaissances sur les colloïdes

Connaissances chimiques

La stabilité d'une suspension colloïdale résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et les interactions répulsives qui s'exercent sur les particules. Ces interactions dépendent notamment de la température, du pH et des électrolytes dissous : les argiles et limons forment des suspensions colloïdales qui floculent en présence de métaux ou de sels, ce qui explique l'envasement des estuaires.

Néanmoins, cette stabilité est plus cinétique que réellement thermodynamique^[3].

En effet, la sédimentation de la phase diffusée et donc la séparation des deux phases est l'état final de tout colloïde (cf. courbes de potentiels thermodynamiques du système). C'est la vitesse de ce phénomène de floculation/sédimentation, très lente, qui donne cette apparence de stabilité.

Connaissances physiques

• (en) Cet article est partiellement ou en totalité issu de l’article de Wikipédia en anglais intitulé « Colloid  » (voir la liste des auteurs) du 01/07/2009

Interactions interparticulaires

Les forces suivantes jouent un rôle important dans l’interaction entre particules colloïdales :

• Interaction électrostatique : Les particules colloïdales portent souvent des charges électriques ce qui les fait s'attirer ou se repousser. Les charges contenues dans la phase continue (ions en solution dans le milieu porteur) ainsi que la mobilité des deux phases affectent cette interaction (effet d'écran Debye).
• Forces de van der Waals : Elles sont dues à l'interaction entre deux dipôles pouvant être aussi bien permanent qu'induits. Une particule n'ayant pas de moment dipolaire permanent peut en acquérir un temporairement suite à une fluctuation de densité électronique. Un tel dipôle temporaire peut induire un dipôle dans une particule voisine. Le dipôle temporaire et le dipôle induit s'attirent alors l'un l'autre. Les forces de Van der Waals sont toujours présentes sauf s'il y a égalité entre les indices de réfraction des deux phases. Ces forces sont de courte portée et attractives.
• Forces entropiques : D'après le deuxième principe de la thermodynamique, un système évolue vers un état qui maximise son entropie. Il peut en résulter des forces effectives même entre des sphères dures. Des particules solides ne peuvent s'interpénétrer, il peut en résulter les effets de volume exclu comme la force de déplétion, cette force effective entre les solutés est induite par la présence du solvant. Cette force de déplétion est une force attractive à très courte distance (de l'ordre de la taille des particules de solvant) entre deux particules de solutés, crée par l'absence statistique de solvant dans cette zone. Une expression analytique de cette force existe pour les sphères dures (modèle de Asakura et Oosawa)^[4]. Les forces stériques (dues à la disposition, à la conformation des particules) sont entropiques par nature : il arrive que des surfaces couvertes de polymères ou des polymères non adsorbés en solution produisent des effets stériques supplémentaires.

Stabilisation d'une dispersion colloïdale (peptisation)

On cherche à stabiliser une dispersion colloïdale en empêchant l'agrégation des particules de la phase dispersée. Les deux principaux mécanismes sont la stabilisation stérique et la stabilisation électrostatique. La stabilisation électrostatique est basée sur la répulsion des charges de même signe. Des phases différentes ont souvent des affinité électrostatiques différentes ce qui provoque la formation d'une double couche électrique à l'interface. Dans un milieu dispersé, l'aire de l'interface est d'autant plus importante que les particules sont petites. Dans une dispersion colloïdale stable la masse de la phase dispersée est trop faible pour que la gravité vainque la répulsion électrostatique. La charge portée par les particules peut être observée en appliquant un champ électrique : toutes les particules migrent alors vers la même électrode ce qui indique qu'elles portent des charges du même signe

Déstabiliser une dispersion colloïdale (floculation)

Lorsque les particules s'agrègent à cause des interactions interparticulaires, on parle de dispersion instable. Certaines applications (traitement des eaux usées, épitaxie de cristal colloïdal) demandent de provoquer une telle floculation. On peut y parvenir suivant différent procédés :

• Suppression de la barrière électrostatique qui empêche l'agrégation via l'ajout de sel ou la modification du pH. Ces méthodes neutralisent ou "écrantent" les charges portée par les particules. Celle-ci se rapprochent alors à portée des forces de Van der Waals qui les coagulent entre elles.
• Ajout d'un polymère chargé de façon opposée aux particules ce qui lui permet de former des ponts entre elles. Par exemple des particules de silice ou d'argile chargées négativement peuvent floculer par l'addition d'un polymère chargé positivement.
• Ajout d'un polymère non adsorbant pour induire une attraction de déplétion.
• La déformation des particules peut augmenter les forces de Van der Waals, leur faisant dépasser les forces de stabilisation. Les colloïdes coagulent alors suivant certaines orientations.

Les suspensions colloïdales de basse fraction volumique forment des suspensions d'agrégats qui finissent par sédimenter (ou crémer) lorsque leur taille devient trop importante pour que l'agitation thermique (mouvement brownien) puisse contrebalancer la gravité. Les suspensions de haute fraction volumique forment des gels colloïdaux aux propriétés viscoélastiques. Le dentifrice par exemple coule lorsqu'il est poussé hors du tube mais reste ensuite sur la brosse à dent.

Technique d’analyse de la stabilité physique

La diffusion multiple de la lumière couplée à un balayage vertical est la technique la plus employée pour suivre l’état de dispersion d’un produit, et par là même identifier et quantifier les phénomènes d’instabilité^{[5],[6],[7],[8]}. Elle fonctionne avec les dispersions concentrées, sans dilution. Quand la lumière est envoyée dans l’échantillon, elle est rétrodiffusée par les particules / gouttes. L’intensité rétrodiffusée est directement proportionnelle à la taille et à la fraction volumique de la phase dispersée. Ainsi, les variations locales de concentration (crémage, sédimentation) et les variations globales de la taille (floculation, coalescence) sont détectées et suivies.

Méthodes d’accélération pour la prédiction de la durée de vie

Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps (jusqu’à plusieurs mois, voire plusieurs années pour certains produits) et ainsi, le formulateur doit utiliser des méthodes d’accélération, afin d’obtenir des durées de développement acceptables. Les méthodes thermiques sont les plus employées et consistent à augmenter la température afin d’accélérer les déstabilisations (en restant en deçà des températures critiques d’inversion de phase et de dégradations chimiques). La température n’affecte pas seulement la viscosité, mais également la tension interfaciale dans le cas des tensioactifs non-ioniques et plus généralement les forces d’interactions à l’intérieur du système. En stockant la dispersion à hautes températures, on simule les conditions de vie réelles d’un produit (par exemple un tube de crème solaire dans une voiture en été), mais également on accélère les processus de déstabilisation jusqu’à 200 fois. L’accélération mécanique incluant la vibration, la centrifugation et l’agitation, sont parfois utilisée. Elles soumettent le produit à différentes forces qui poussent les particules / gouttes les unes contre les autres, aidant ainsi au drainage du film. Cependant, des émulsions ne coalesceraient jamais sous une gravité normale, alors qu’elles le font sous gravité artificielle^[9]. De plus, des phénomènes de ségrégation de différentes populations de particules ont été mises en évidence en utilisant la centrifugation et la vibration^[10].

Un modèle d'atome

Les physiciens ne pouvant bien souvent pas voir les atomes directement, il leur arrive d'utiliser les colloïdes comme modèle simpliste mais aisément observable. On retrouve chez les colloïdes les forces qui gouvernent la structure et le comportement de la matière atomique. On retrouve les analogues colloïdaux des transitions de phase (cristallisation, interface entre un liquide de colloïdes et un gaz de colloïdes, point critique, etc.). Des particules colloïdales ayant une taille proche du micron peuvent être observées avec un microscope optique comme par exemple un microscope confocal. La taille (~10⁴ fois celle d'un atome) implique également une dynamique plus lente qui peut être ainsi aisément observée en temps réel.

Cristaux colloïdaux

Un cristal colloïdal est un réseau ordonné de particules pouvant s'étendre loin dans l'espace (typiquement de l'ordre d'un millimètre voir d'un centimètre) et qui semblent analogues aux cristaux atomiques ou moléculaires^[11]. La nature fournit l'exemple de l'opale, une pierre précieuse dont les régions de couleur spectralement pures sont en fait un cristal colloïdal de sphères de silice (SiO₂)^[12],[13] Ces particules sphériques ont précipité dans des étangs à forte teneur en silice et ont formé cet empilement périodique après des années de sédimentation et de compression sous l'action des forces hydrostatiques et de gravitation. La périodicité des cristaux colloïdaux laisse des vides régulièrement espacés, typiquement de quelques centaines de nm, qui agissent comme un réseau de diffraction optique pour les ondes électromagnétiques, en particulier la lumière visible^[14],[15].

En effet, on sait depuis longtemps qu'à cause de la répulsion électrostatique, des particules chargées dans un milieu aqueux peuvent exhiber des corrélations à longue distance similaires à celles d'un cristal avec des séparations interparticulaires souvent bien plus grandes que la taille des particules elles-mêmes. Ces phénomènes sont toujours associés à une iridescence attribuée à la diffraction de la lumière visible.

Les nombreuses expériences qui ont exploré la physique et la chimie de ces cristaux colloïdaux ont permis l'émergence de techniques relativement simples de synthèse de colloïdes monodispersés^[16].

Méthodes de fabrication des colloïdes

à venir (pour l'instant, se référer à émulsion, section « technologie »)

Exemples de colloïdes

Certaines peintures, ce qu'on appelle couramment aérosols comme la laque ou les déodorants, mais aussi certains aliments sont des colloïdes.

Les colloïdes alimentaires^[3]

On rencontre couramment de nombreux colloïdes parmi nos aliments. Quelques exemples :

• la mousse, qui est une catégorie de colloïdes à part entière (gaz dans liquide) ;
• la crème glacée, qui est un mélange d'air et de crème;
• les yaourts.
• certains boissons anisées alcoolisées, lorsque mélangées à l'eau (pastis)

Les colloïdes magnétiques

On fabrique aussi, pour des besoins industriels^[17], de petites billes de polymères qui sont destinées à être diffusées dans des liquides, notamment de l'eau, et qui auront alors un comportement de colloïde.

Souvent en polystyrène, ces petites billes peuvent subir un traitement particulier : l'intégration de poudre de fer lors de la synthétisation du polymère permet de rendre ces objets sensibles aux phénomènes électro-magnétiques.

Dès lors, les billes répandues dans un liquide seront sensibles aux champs électriques. En particulier, elles vont s'organiser de façon ordonnée en fonction de ce champ, en se comportant comme des dipôles électriques induits.

Les colloïdes magnétiques ont des applications notamment dans la biochimie, en tant qu'éléments constitutifs d'une méthode de séparation^[18] permettant d'obtenir des résultats similaires à l'électrophorèse ou à la chromatographie.

Notes et références

1. ↑ Liquid Diffusion Applied to Analysis. Thomas Graham, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1861 151, 183-224
2. ↑ Le terme phase est ici à manipuler avec précaution car il désigne habituellement l'état du système lui-même. C'est pourquoi, dans certains cas, de nombreux auteurs préfèrent parler de particules de solutés baignant dans un solvant pour évoquer les gouttes ou les solides en suspension.
3. ↑ ^{a et b} Les colloïdes alimentaires, Eric Dickinson, Éditions Masson, 1996
4. ↑ S. Asakura and F. Oosawa. J. Chem. Phys, 22:1255, 1954
5. ↑ I. Roland, G. Piel, L. Delattre, B. Evrard International Journal of Pharmaceutics 263 (2003) 85-94
6. ↑ C. Lemarchand, P. Couvreur, M. Besnard, D. Costantini, R. Gref, Pharmaceutical Research, 20-8 (2003) 1284-1292
7. ↑ O. Mengual, G. Meunier, I. Cayre, K. Puech, P. Snabre, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 152 (1999) 111–123
8. ↑ P. Bru, L. Brunel, H. Buron, I. Cayré, X. Ducarre, A. Fraux, O. Mengual, G. Meunier, A. de Sainte Marie and P. Snabre Particle sizing and characterisation Ed T. Provder and J. Texter (2004)
9. ↑ J-L Salager, Pharmaceutical emulsions and suspensions Ed Françoise Nielloud,Gilberte Marti-Mestres (2000)
10. ↑ P. Snabre, B. Pouligny Langmuir, 24 (2008) 13338-13347
11. ↑ Pieranski, P., « Colloidal Crystals », dans Contemporary Physics, vol. 24, 1983, p. 25 [lien DOI] 
12. ↑ Sanders, J.V., « Structure of Opal », dans Nature, vol. 204, 1964, p. 1151 
13. ↑ Darragh, P.J., et al., « Opals », dans Scientific American, vol. 234, 1976, p. 84 
14. ↑ Luck, W. et al., « Ber. Busenges », dans Phys. Chem., vol. 67, 1963, p. 84 
15. ↑ Hiltner, P. A., and Krieger, I. M., « Diffraction of light by ordered suspensions », dans J. Phys. Chem., vol. 73, 1969, p. 2306 [lien DOI] 
16. ↑ Gilson Opal(en)
17. ↑ Jean Groff, Le Rôle de la chimie colloïdale dans la lubrification, Paris, impr. de Chaix, 1946
    (notice BNF n^o FRBNF321974443)
     
18. ↑ Applications des colloïdes magnétiques. Journal du CNRS (2007).

Voir aussi

Articles connexes

• Émulsion
• Suspension
• Sol
• Aérosol
• Gel
• Hydrocolloïde

Ressources externes

• Conférence de l'Université de tous les savoirs par Jérôme Bibette
• Mesure illustrée de stabilité