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Etude Structurale et Dynamique de Solutions de Sucre Confinées

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par Gérald LELONG
Université d'Orléans - Thèse 2007
  

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Chapitre 3

POURQUOI CONFINER ET COMMENT? LES GELS DE SILICE AQUEUX

3.1. Choix de la matrice de confinement 75

3.2. Taille du confinement 76

3.3. Synthèse de gels de silice aqueux 77

3.4. Etude structurale préliminaire des gels de silice aqueux contenant du

D-glucose par diffusion des neutrons aux petits angles 84

3.5. Conclusion générale du chapitre 3 93

CHAPITRE 3

POURQUOI CONFINER ET COMMENT ? LES GELS DE SILICE AQUEUX

Les solutions de mono- et disaccharides volumiques permettent de sonder les interactions sucre-eau, dans lesquelles la stéréochimie s'avère être un paramètre majeur à l'origine des diverses propriétés physico-chimiques du mélange. Ces mesures nous permettent ainsi de comprendre pourquoi certains sucres, comme le tréhalose, sont présents en quantité importante dans les végétaux anhydrobiotiques. Mais dans ce contexte biologique, un détail d'importance n'a jamais été pris en considération dans toutes ces études expérimentales : les échelles cellulaire et membranaire. Ces échelles, bien qu'assez variables d'une cellule à l'autre, se rapprochent plus du nano- ou du micromètre que du monde macroscopique. Et à la vue de tous les changements de propriétés engendrés par la réduction de taille, tout laisse à penser que ces solutions de sucre pourraient présenter une dynamique tout autre dans un milieu restreint stériquement. D'ailleurs, les récentes études de l'eau confinée montrent que la taille de l'environnement est un paramètre non négligeable, qui conduit à une forte diminution des dynamiques translationnelle et rotationnelle.97,98,99,100 Tous ces travaux sur les solutions d'hydrates de carbone volumiques, bien que d'un grand intérêt fondamental, gagneront donc à être explorées à l'échelle nanométrique à l'exemple des nombreuses investigations réalisées sur l'eau. Le confinement des solutions de sucre présente donc un intérêt majeur pour la compréhension des phénomènes en présence. Cependant, de telles études, aussi bien expérimentales que théoriques, sont pour l'heure manquantes. Le champ d'investigation est par conséquent complètement ouvert et gigantesque, laissant libre cours à toutes les voies de confinement possibles. Par conséquent, il nous faut déterminer, en premier lieu, une matrice de confinement appropriée qui réponde à tous nos impératifs expérimentaux et techniques. C'est ce que nous allons chercher à faire dans ce chapitre.

3.1. CHOIX DE LA MATRICE DE CONFINEMENT

L'utilité du confinement ne présente plus de doute, mais il nous reste à déterminer quelle matrice de confinement utiliser. A priori, la liste des matériaux susceptibles de pouvoir servir de matrice hôte est vaste, mais de très nombreuses contraintes techniques nous limitent dans le choix des matériaux poreux. Les principales difficultés que nous avons à surmonter sont :

(i) de confiner une solution à une concentration en sucre donnée en évitant les gradients,

(ii) d'avoir des échantillons compatibles avec les mesures de diffusion de neutrons.

Revenons un peu plus en détail sur ces deux points.

(i) La concentration de la solution confinée doit à tout prix présenter le plus faible gradient en
concentration. En effet, la dynamique moléculaire étant très sensible à la concentration, confiner une

solution de concentration « inconnue » ne nous permettrait pas de conclure sur l'effet du confinement. (ii) Les mesures de diffusion de neutrons ne nous permettent pas d'utiliser des matrices organiques, telles que les gels de polyacrilamide par exemple, qui présentent un nombre beaucoup trop important d'atomes d'hydrogène. Le seul moyen de s'en prémunir serait d'utiliser des précurseurs intégralement deutérés. Mais pour des raisons de coût principalement, cette solution a été abandonnée au profit de matrices inorganiques, nettement moins coûteuses, mais qui présentent le double avantage d'être relativement « transparentes » aux neutrons, mais aussi d'être très modulables durant la synthèse. Parmi les matériaux poreux inorganiques disponibles et susceptibles de pouvoir nous intéresser, nous pouvons citer l'alumine Al2O3 et la silice SiO2. Cependant, la chimie de l'alumine est difficile à mettre en oeuvre en raison de la très grande réactivité de ses précurseurs, limitant ainsi les formes et les tailles de pores accessibles. Un défaut que ne partage pas la silice, dont les méthodes de synthèse ont permis d'accéder à une très grande variété de matériaux mésoporeux.

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