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Structure et organisation des biomatériaux Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et organisation des solides Défauts de la structure cristalline

Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

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Page 1: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Structure et organisation

des biomatériaux Atome

Liaisons atomiques et moléculaires

Structure et organisation des solides

Défauts de la structure cristalline

Page 2: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Biomatériaux: matériau conçu pour interagir avec les

systèmes biologiques, qu'il participe à la constitution d'un

dispositif à visée diagnostique ou à celle d'un substitut de tissu

ou d'organe ou encore à celle d'un dispositif de suppléance (ou

d'assistance) fonctionnelle ». Il peut ainsi être considéré comme

tout matériau utilisé pour remplacer une partie ou une fonction

du corps de manière sure et fiable, acceptable d’un point de vue

économique et physiologique

A biomaterial is “a material intended to interface with biological systems to evaluate, treat, augment or replace any tissue, organ or function of the body”

Biocompatibility

Page 3: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Biomaterials for Tissue Replacements

Bone Replacements

Page 4: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Bioresorbable, macroporous mesh with a pore size of ~ 1mm before [A] and after [B] the embedding into the fibrin/cell matrix. [C] Fibrin-based vascular graft after implantation in the arterial circulation (ovine carotid model)

• Bioresorbable vascular graft ( greffon) stent,

Sponge-Type Scaffold

Page 5: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Skin Grafts

a) View of the traumatic clean soft tissue defect before split-thickness skin grafting. (b) Post-operative view of the patient after split-thickness skin grafting.

Page 6: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Biodegradable nerve guidance

Page 7: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

composite foam seeded with bone

marrrow stromal cells

Contact Lens

heart valve prosthesis

Page 8: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Orthopedic implants linked to a form of skin cancer in rare cases

Page 9: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Since 2010, Texas has received at least 85 death reports related to dentistry error. Projected out to the whole U.S. population, that’s a little over 1,000 deaths.

Page 10: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Metals

Semiconductor

Materials

Ceramics

Polymers

BIOMATERIALS

Orthopedic

screws/fixation

Dental

Implants

Dental Implants

Heart

valves

Bone

replacements

Biosensors Implantable

Microelectrode

Skin/cartilage Drug Delivery

Devices Ocular

implants

Page 11: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

structure

properties

performance

traitement

Page 12: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

1021 atomes de fer

Macroscopique Microscopique

Tout est fait d’atomes

ARN

Page 13: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Peut-on voir les atomes ?

Microscopie à effet tunnel : Atomes de carbone

Atomes or sur carbone

Page 14: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Des modèles de l’atome

de plus en plus performants

Page 15: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Instituteur et chimiste

Daltonisme

En 1807 :

Météorologie solubilité gaz dans l’eau

Existence des atomes par mesure des masses

John DALTON (1766-1844)

Page 16: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Un flux d’électrons, dans un

tube cathodique, est dévié

par un champ magnétique.

Joseph James THOMSON (1856-1940) Nobel 1906

En 1903 : met en évidence les électrons

Page 17: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

En 1911, RUTHERFORD constate que la majorité des particules alpha

émises par un corps radioactif projetées sur une feuille d’or traverse cette feuille (1 sur 100000 rebondit).

Il en déduit une structure lacunaire de l’atome avec des particules

très distantes.

Ernest RUTHERFORD (1871-1937) Nobel 1908

Page 18: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Rutherford’s Apparatus

beam of alpha particles

radioactive substance

gold foil

circular ZnS - coated

fluorescent screen

Dorin, Demmin, Gabel, Chemistry The Study of Matter , 3rd Edition, 1990, page 120

Rutherford received the 1908 Nobel Prize in Chemistry for his pioneering work in nuclear chemistry.

Page 19: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Niels BOHR (1855-1962) Nobel 1922

Il définit l’organisation des électrons

au sein du nuage électronique

Modèle de BOHR

Il explique la stabilité des atomes et débouche sur un modèle de liaison des atomes (LEWIS).

Page 20: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Modèle fondé sur la

mécanique

ondulatoire

L’évolution continue

Louis de BROGLIE (1892-1987) Nobel 1929

Page 21: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Evolution dans deux directions

-Etude noyau et sa constitution = physique nucléaire

-Etude des électrons et leur comportement = chimie physique

Page 22: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Notre modèle de l’atome

Référence au modèle de BOHR

-Un noyau : neutrons et protons

-Des électrons qui évoluent autour du noyau dans un espace

globalement sphérique.

Le rayon de cet espace est de 0,1 à 0,2 nm

Le rayon du noyau est 10000 fois plus petit

Protons m=1,6 10-24g +1

Neutrons m=1,6 10-24g 0

Electrons m=9 10-28g (/1800) -1

Page 23: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les électrons possèdent de l’énergie

mais pas la même énergie

Les électrons les plus externes ou périphériques jouent le rôle

principal dans les réactions

Donc simplification

Les électrons

Page 24: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

The energy an electron looses by moving from an

outer to an inner shell is released as a photon, with

energy E = hn

Page 25: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Une centaine d’éléments pour tout l’univers 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Gaz

nobles

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Bi Bi Po At Rn

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Gaz

nobles

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Bi Bi Po At Rn

Métaux métalloïdes et non métaux

Utilisation en Odontologie

Une centaine d’éléments pour tout l’univers

Page 26: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

La matière est faite de vide La matière est principalement formée de vide

comme l’avait pressenti RUTHERFORD

Or si on observe un morceau de fer on constate

sa dureté, sa densité.

L’interaction électrostatique (interaction de

Coulomb) existant entre les ions de charges

contraires assure la cohésion du solide ionique.

Très faibles à grandes distances, elle augmente

très vite avec le rapprochement.

Page 27: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les atomes n’aiment pas rester seuls

Liaisons chimiques

-Solides

-Adhésion

Page 28: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

1.Classification en fonction du type de liaison

chimique Entité de base = l’atome

Les électrons périphériques sont à la base des propriétés des

matériaux.

Les interactions entre électrons périphériques sont à l’origine

des liaisons interatomiques et intermoléculaires qui conduisent à la formation d’un état condensé rigide (solide).

Page 29: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les forces qui s’exercent entre eux donnent de nouvelles entités

structurales dont l ’énergie est inférieure à celle des atomes isolés.

-Les atomes sont reliés par des liaisons fortes

(> à 50 kJ/mol) Ionique, Covalente, Métallique

-Les molécules sont reliées par des liaisons faibles

(< à 50 kJ/mol) Van der Waals, Hydrogène

Les couches électroniques externes des atomes ont tendance à

adopter une configuration de type gaz rare(couche externe

complétement saturée)

Liaison chimique entre 2 atomes quand :

Page 30: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Bond length, r

• Bond energy, Eo

F F

r

• Melting Temperature, Tm

Tm is larger if Eo is larger.

PROPERTIES FROM BONDING: TM

Page 31: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Elastic modulus, E

• E ~ curvature at ro

L F

Ao = E

Lo

Elastic modulus

E is larger if Eo is larger.

PROPERTIES FROM BONDING: E

• E ~ curvature at ro

r

larger Elastic Modulus

smaller Elastic Modulus

Energy

ro unstretched length

Page 32: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Coefficient of thermal expansion, a

• a ~ symmetry at ro

a is larger if Eo is smaller.

= a (T2-T1) L

Lo

coeff. thermal expansion

PROPERTIES FROM BONDING: a

Page 33: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Occurs between + and - ions.

• Requires electron transfer.

• Large difference in electronegativity required.

• Example: NaCl

IONIC BONDING

Page 34: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Predominant bonding in Ceramics

Give up electrons Acquire electrons

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

At 2.2

Li 1.0

Na 0.9

K 0.8

Rb 0.8

Cs 0.7

Fr 0.7

H 2.1

Be 1.5

Mg 1.2

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba 0.9

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

CsCl

MgO

CaF2

NaCl

O 3.5

EXAMPLES: IONIC BONDING

Page 35: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Requires shared electrons

• Example: CH4

C: has 4 valence e,

needs 4 more

H: has 1 valence e,

needs 1 more

Electronegativities

are comparable.

COVALENT BONDING

Page 36: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Molecules with nonmetals

• Molecules with metals and nonmetals

• Elemental solids (RHS of Periodic Table)

• Compound solids (about column IVA)

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

F 4.0

Cl 3.0

Br 2.8

I 2.5

At 2.2

Li 1.0

Na 0.9

K 0.8

Rb 0.8

Cs 0.7

Fr 0.7

H 2.1

Be 1.5

Mg 1.2

Ca 1.0

Sr 1.0

Ba 0.9

Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

SiC

C(diamond)

H2O

C 2.5

H2

Cl2

F2

Si 1.8

Ga 1.6

GaAs

Ge 1.8

O 2.0

co

lum

n I

VA

Sn 1.8

Pb 1.8

EXAMPLES: COVALENT BONDING

Page 37: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

• Arises from a sea of donated valence electrons

(1, 2, or 3 from each atom).

• Primary bond for metals and their alloys

METALLIC BONDING

Schematic of metallic bonding. Because there are no electronegative elements to accept the valence electrons, the electrons are donated to the entire structure. This creates a “cloud” or “sea” of electrons that are mobile and surround a core of cations.

Page 38: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Arises from interaction between dipoles

• Permanent dipoles-molecule induced

• Fluctuating dipoles

-general case:

-ex: liquid HCl

-ex: polymer

SECONDARY BONDING

Page 39: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Ceramics

(Ionic & covalent bonding):

Metals

(Metallic bonding):

Polymers

(Covalent & Secondary):

Large bond energy

large Tm

large E

small a

Variable bond energy

moderate Tm

moderate E

moderate a

Directional Properties

Secondary bonding dominates

small T

small E

large a

SUMMARY: PRIMARY BONDS

Page 40: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

1.1. Les liaisons fortes

Le chlorure de sodium

Le sodium perd un électron (configuration néon)

Et forme un ion positif Na+

Le chlore gagne un électron (configuration argon)

Et forme un ion négatif Cl-

Ces deux ions de charge opposée s’attirent

Cette attraction entre deux particules chargées donne

la liaison ionique

La liaison ionique

Page 41: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Elle concerne les éléments :

-du groupe 1 (alcalins) avec ceux du groupe 17 (halogènes)

-du groupe 2 (alcalino-terreux) avec le groupe 16 (chalcogènes)

Liaison ionique

1 IA

2 IIA

3 III

A

4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 Gaz

nobles

H He

Li Be B C N O F Ne

Na Mg Al Si P S Cl Ar

K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr

Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe

Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Bi Bi Po At Rn

Métalliques Non métalliques

Les liaisons fortes La liaison ionique

Page 42: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Entre un métal et un non métal

-Liaison non orientée (isotrope)

-Pas d ’électrons libres

-Liaison forte 600 à 1500 kJ/mol

Les matériaux ioniques sont durs et fragiles, isolants, avec une

température de fusion élevée

Les halogénures alcalins (NaCl, KCl), les alcalino-terreux (MgCl2), la

majorité des oxydes (céramiques, MgO)

Les liaisons fortes La liaison ionique

Page 43: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Elle relie deux atomes identiques avec un partage des électrons

périphériques des atomes qui se déplacent sur des orbitales

communes.

Le carbone

4 électrons

sur sa couche de valence

Liaison covalente

Les liaisons fortes La liaison covalente

Page 44: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Le carbone se trouve dans la nature sous différentes formes

allotropiques :

- Diamant (tridimensionnel, cristal), chaque atome est entouré de 4

voisins, soit entouré par 8 électrons dont 4 lui sont prêtés.

- Graphite (bidimensionnel, polymère)

Les liaisons fortes La liaison covalente

Page 45: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Entre un non métal et un non métal

-Liaison orientée (anisotrope)

-Pas d’électrons libres (isolant) si tous les e- sont utilisés

-Liaison forte de l'ordre de 200 à 900 kJ/mol

Température de fusion moyenne

Les matériaux covalents sont Soit des solides

Soit des liquides (HNO3)

Soit des gaz (H2, O2, CH4)

Les liaisons fortes La liaison covalente

Page 46: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les liaisons fortes La liaison covalente

Page 47: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les atomes des métaux (3/4 des éléments) possèdent des électrons de valence qui sont très faiblement liés au noyau. Les

électrons ne sont pas liés à un atome déterminé mais ils sont

délocalisés et répartis dans ’ensemble du métal.

Structure d’ions positifs noyés dans un gaz d’électrons qui assure

la liaison.

Les liaisons fortes La liaison métallique

Page 48: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

La résistance de la liaison métallique augmente avec :

-La diminution du rayon métallique

-L’augmentation du nombre des électrons périphériques

R atomique 186 pm

1 électron = 98°C point de fusion

R atomique 160 pm

2 électrons = 650°C point de fusion

Les liaisons fortes La liaison métallique

Page 49: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Entre un métal

-Liaison non orientée (isotrope)

-Electrons libres -Liaison forte de l'ordre de 300 à 850 kJ/mol (600°C à 3500°C)

-Conducteur électrique et thermique

Les liaisons fortes La liaison métallique

Page 50: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les 3 types de liaisons fortes entraînent un déplacement

important des électrons périphériques.

Il existe des liaisons faibles qui entraînent des modifications

minimes de la position des électrons.

Ces forces de liaisons secondaires résultent essentiellement d’interactions électrostatiques entre des molécules qui bien que

globalement neutres possèdent des dipôles électriques.

Ces forces de faible intensité jouent un rôle important

dans le cas des macromolécules (polymères).

Les liaisons fortes - Liaisons faibles

Page 51: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Les interactions de Van der Waals

Ces forces proviennent d’interactions entre dipôles permanents,

instantanés et induits

Johannes Diderik Van der WAALS NL (1837-1923) Nobel 1910

Dipôle permanent correspond

à une molécule polarisée

Dipôle instantané par non coincidence

du barycentre du nuage électronique

avec le centre du noyau

Dipôle induit par l’influence d’un dipôle

instantané

1.2. Les liaisons secondaires

Page 52: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

1VdW L’interaction de Keesom

Entre 2 molécules polarisées

Interaction dipôle-dipôle

8-17 kJ/mol

Willem Hendrik KEESOM NL (1876-1956)

Forces dipôle-dipôle

On distingue en fonction de leur mécanisme de formation

Les liaisons secondaires Interactions de Van der Waals

Page 53: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

2VdW L’interaction de Debye

Entre dipôle-dipôle induit

4-8 kJ/mol Peter DEBYE NL (1884-1966) Nobel 1936

3VdW L’interaction de London

Entre dipôle induit-dipôle induit

2-4 kJ/mol

Fritz LONDON USA (1900-1954)

Forces de London

Les liaisons secondaires Interactions de Van der Waals

Page 54: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Elles s’établissent entre un atome d’hydrogène lié à un atome

fortement électronégatif (O, F, N) et un second atome

électronégatif.

40 kJ/mol

Molécules eau Interaction Hydrogène

Les liaisons secondaires Interactions Hydrogène

Page 55: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

3 grands types de matériaux :

-Les métaux et leurs alliages

-Les polymères organiques

-Les céramiques

2.Classification selon composition et

comportement

Page 56: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Solides atomiques à température ambiante (sauf Hg, Ga)

-Combinaison de 2 ou plusieurs métaux

-Liaison métallique

-Très bons conducteurs thermiques et électriques

-Opaques et brillants

-Durs, rigides et déformables plastiquement

-Amalgame

-Alliages nobles (base or)

-Alliages non nobles (NiCr, CoCr, NiTi)

Les métaux et leurs alliages

Page 57: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Molécules formant de longues chaînes d’atomes de carbone sur

lesquels sont fixés :

-des éléments comme C H O N

ou -des groupes d’atomes comme CH3 (méthyle)

-Cohésion par liaisons covalentes et secondaires

-Isolants thermiques et électriques

-Peu rigides, légers et faciles à mettre en forme

du verre organique au caoutchouc

-Polyméthacrylates de méthyle PMMA (Plexiglas ®)

-Silicones

Les Polymères

Page 58: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Combinaison inorganique

d’éléments métalliques Mg Al Fe avec

des éléments non métalliques O = oxydes

-Liaisons ioniques et covalentes

-Très mauvaises conductrices thermiques et électriques

-Très dures, fragiles

-Céramiques

-Ciments

Les Céramiques

Page 59: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Combinaison possible des 3 types de matériaux

2 ou plusieurs matériaux différents qui combinent de manière

synergique leurs propriétés spécifiques

-Résines composites

Matrice organique

Charges minérales

Les Matériaux Composites

Page 60: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

-Les liaisons chimiques

-L’arrangement atomique

-La microstructure

Propriétés des matériaux définis par :

Page 61: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Liaison entre des

phénomènes qui se

déroulent à l’échelle microscopique

et les propriétés des

matériaux

Oeil MO

MEB MET

Diffraction rayons X

Arrangement atomique et Microstructure

Page 62: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Ordre et désordre

Toute substance peut exister sous 3 états physiques distincts :

solide, liquide ou gaz.

3.Structure et Organisation des Solides

Page 63: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Du solide au liquide la distance inter-atomique augmente

ainsi que la mobilité et l’agitation des atomes.

C’est la balance entre l’énergie de cohésion et l’énergie

thermique qui détermine l’état physique.

L’énergie thermique qui résulte du

mouvement continuel des atomes

est proportionnelle à la température.

Etat physique des matériaux

Page 64: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

L’énergie de cohésion est l’énergie nécessaire pour dissocier le système en ses éléments constitutifs.

- Energie élevée avec liaisons fortes (métaux, céramiques)

- Energie faible pour liaisons secondaires (polymères)

Etat physique des matériaux

Page 65: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Si l’E thermique est très élevée par rapport à l’E de cohésion

(haute température) tout état structuré ou ordonné des atomes

est exclu.

La matière est sous une forme totalement désordonnée à l’état gazeux.

Etat physique des matériaux

Page 66: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Si l’E thermique est faible

Les mouvements de translation des atomes (ou des molécules)

sont difficiles. Les atomes s’organisent suivant un schéma rigoureux

qui diminue au maximum l’E du système.

On obtient un état solide, forme ordonnée de la matière.

Etat physique des matériaux

Page 67: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

L’état liquide est intermédiaire entre l’état gazeux et cristallin.

Ordre à courte distance avec densité proche du cristal.

Etat physique des matériaux

Ordre Ordre grande distance Ordre courte distance Désordre complet

Densité 1 - 20 g/cm3 1 g/cm3 10--3 g/cm3

Page 68: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

Température

Gaz désordre

Liquide ordre partiel

1000-1500°C Laboratoire

Solide ordre

23-37°C Cabinet

Etat physique des matériaux

Page 69: Atome Liaisons atomiques et moléculaires Structure et

L’arrangement dans les solides peut prendre un caractère ordonné ou

désordonnée avec 2 types de structures :

La structure cristalline avec une distribution périodique d’atomes

ordonnés à grande distance.

La structure amorphe peu ordonnée est analogue à celle des liquides.

On y rencontre à courte distance (quelques Ø atomiques), une

certaine périodicité de distribution des atomes.

Arrangement des atomes dans les solides