Depuis des millénaires, la fabrication des verres et des céramiques fait appel à des températures élevées, souvent supérieures à 1 000°C. Depuis quelques années, les chercheurs ont développé des méthodes de chimie douce qui mettent en jeu des réactions de polymérisation minérale et qui permettent d'élaborer ces matériaux à température ambiante. Ces procédés, connus sou le nom de " procédé sol-gel " permettent de synthétiser des matériaux hybrides " organo-minéraux " au sein desquels des espèces organiques et minérales sont liées à l'échelle moléculaire. Plus récemment, on a montré que des enzymes et même des cellules conservaient leur activité biologique après au sein de silices sol-gel..
Mot(s) clés libre(s) : biominéralisation, céramique, chimie douce, chimie du solide, diatomée, matériau hybride, polymérisation, procédé sol-gel, science des materiaux, synthèse chimique, verre

L’ODYSSÉE DE LA MATIÈREpar Jacques LIVAGEComment la matière divisée, puis condensée et organiséeest devenue vivante puis pensante ?    L’aventure de la matière a commencé il y a près de 14 milliards d’années lorsque, quelques minutes après le big-bang, les premières particules élémentaires, les quarks, sont apparues. Au sein d’un univers en expansion, elle a conduit à la formation des atomes, des molécules, de la poussière interstellaire, puis des astres et des galaxies. Au cours de ce périple, la matière divisée des origines s’est progressivement condensée et complexifiée pour conduire à l’univers tel que nous le connaissons aujourd’hui. Certains processus ont été particulièrement rapides, les noyaux atomiques par exemple, se sont formés au cours des premières minutes, tandis que d’autres sont issus d’une longue maturation. Il a fallu attendre plus de 300.000 ans pour que se forment les premiers atomes et neuf milliards d’années pour  que naisse la Terre.    La longue histoire de la matière a conduit à la formation des roches minérales et des molécules organiques. Sur notre planète, elle a donné naissance à la matière vivante et même à la matière pensante. Comment la chimie, science de la matière, permet de décrire cette aventure ?  C’est ce que nous allons tenter de montrer au cours de cet exposé.     Pendant des siècles, on a pensé que la matière était constituée des quatre éléments d’Aristote, la terre, l’eau, l’air et le feu. Ce n’est qu’au XVIIIe siècle que l’on a montré que, comme le prédisait Démocrite, elle était formée d’atomes. Pendant plus d’un siècle, les chimistes se sont attachés à découvrir de nouveaux éléments. C’est ainsi qu’au cours de ses travaux sur la combustion, Lavoisier mit en évidence l’existence de l’oxygène mettant ainsi fin à la théorie du ‘phlogistique’ [1]. À la fin du XIXe siècle, avec l’établissement du tableau périodique des éléments, le chimiste disposait enfin des briques nécessaires pour transformer la matière.     Deux éléments, le silicium et le carbone, vont nous permettre de comprendre comment s’est formée la matière. Le premier, le silicium, a conduit à la formation des roches. La silice et les silicates représentent 90% des minéraux de la croûte terrestre. Le second, le carbone a conduit aux molécules organiques qui ont donné naissance au vivant. Le secret de cette évolution réside dans l’auto-organisation. Les atomes ne sont pas indépendants les uns des autres. Ils s’attirent mutuellement via la liaison chimique et se lient dans l’espace selon des règles bien définies. Ainsi, selon Niels Bohr, les électrons gravitent autour du noyau en se répartissant sur des couches successives. Les électrons qui occupent la dernière couche, dite ‘couche de valence’, jouent un rôle privilégié car ils sont susceptibles d’interagir avec les atomes voisins pour former une liaison chimique. Le silicium, comme le carbone possèdent quatre électrons de valence ce qui les conduit à former quatre liaisons chimiques, d’où la tétravalence caractéristique de ces deux éléments.     C’est ainsi que, dans les silicates, l’atome de silicium se lie à quatre atomes d’oxygène. Selon l’enchainement  des tétraèdres [SiO4] on obtient des fibres d’amiante, des feuillets d’argile ou des cristaux de quartz. Dans tous les cas, l’enchainement peut se poursuivre à l’infini donnant des solides qui constituent l’essentiel des matériaux que nous utilisons pour élaborer des verres ou des céramiques.    Le carbone a un comportement légèrement différent. Il est capable de former des doubles liaisons carbone-carbone. Cela limite le nombre de voisins auxquels il se lie. On passe ainsi du cristal de diamant dans lequel chaque atome de carbone est lié à quatre voisins aux feuillets de graphite dans lesquels il n’en a plus que trois. De nouvelles formes du carbone ont été mises en évidence au cours des dernières décennies ; graphène, nanotubes, fullerène...    Toute la richesse de la chimie organique est liée à l’aptitude du carbone à former des doubles ou triples liaisons conduisant ainsi à la formation de molécules plutôt que de solides. C’est toute la richesse de la synthèse organique initiée par Marcelin Berthelot dans son ouvrage La chimie organique fondée sur la synthèse paru en 1860. L’homme enfin avait vaincu la ‘force vitale’ et devenait capable de transformer la matière et même d’en créer de nouvelles formes. Sera-t-il capable de recréer la vie ? C’est là le pari de la ‘biologie de synthèse’ qui a pour objet de synthétiser les molécules du vivant et de les associer pour former une protocellule, première forme de vie sur terre ![1] Terme savant forgé sur le grec phlogiston « inflammable » et phlox « flamme », pour désigner une hypothétique substance fluide qu’on croyait être constitutive de la chaleur et qui aurait expliqué le phénomène de la combustion.  Terme savant forgé sur le grec phlogiston « inflammable » et phlox « flamme », pour désigner une hypothétique substance fluide qu’on croyait être constitutive de la chaleur et qui aurait expliqué le phénomène de la combustion.
Mot(s) clés libre(s) : fullerène, tableau périodique des éléments, Mendeleïev, Marcelin Berthelot, carbone, oxygène, hydrogène, chimie douce, silicium, histoire de la matière

Les verres et céramiques modernes sont fabriqués par chauffage à très haute température de précurseurs solides comme l'argile ou le sable. Pourtant, l'observation des processus naturels nous montre que depuis des centaines de millions d'années, les micro-organismes ont su créer de tels matériaux dans des conditions beaucoup plus douces. Ces processus de biominéralisation posent un véritable défi au chimiste du solide qui tente d'y répondre en développant des méthodes dites de "chimie douce". Suivant l'exemple des diatomées qui élaborent de fines architecture de verre à partir de la silice dissoute dans les océans, nous avons développé une chimie "sol-gel" qui permet de construire un réseau de silice à partir de précurseurs moléculaires en solution. Cette chimie de polymérisation inorganique débouche aujourd'hui sur de véritables applications industrielles. Compatible avec la chimie organique, elle permet l'élaboration d'hybrides organo-minéraux, véritables matériaux nanocomposites à l'échelle moléculaire. Les conditions de synthèse des verres de silice sont même suffisamment douces pour être compatible avec la vie. Elles permettent d'immobiliser des protéines, des anticorps et même des cellules vivantes au sein de matrices de silice. Cet exposé fera le point des résultats les plus récents en mettant plus particulièrement l'accent sur les applications biologiques des procédés sol-gel.
Mot(s) clés libre(s) : biominéralisation, chimie douce, chimie du solide, diatomée, matériau composite, microporeux, morphogenèse chimique, polymérisation, synthèse, transformation de la matière, verre