De l’atome à la technologie : quels sont les secrets des matériaux ?, livre ebook

Ce livre invite à un voyage à travers la science des matériaux, qui va de leur organisation à l’échelle atomique jusqu’à leurs applications technologiques. Commençant par des rappels élémentaires sur les fondements physiques, chimiques et mécaniques de cette science, le livre passe ensuite en revue chacune des grandes familles de matériaux : métaux, céramiques, et polymères, et il se termine par des réflexions sur les nanomatériaux émergents. Tout au long de ce voyage, le lecteur est amené à comprendre comment le comportement des atomes et des électrons et la structure intime des matériaux déterminent leurs propriétés mécaniques, électriques, optiques, thermiques et magnétiques. Accessible et progressif, le livre offre une vision unifiée et passionnante d’un domaine clé de la science et de la technologie. Il s’agit d’un livre scientifique, mais écrit avec des mots simples et qui ne contient aucune équation, ni aucun graphe ou aucune courbe à déchiffrer. Il est ainsi destiné à un large public.

Avant-propos................................................................................. 9

Introduction.................................................................................. 11

1. De l’atome au solide................................................................ 15

L’atome et ses électrons............................................................ 16

Les liaisons chimiques............................................................... 20

Le solide................................................................................. 25

Exemples de liaisons chimiques dans les solides............................ 29

Niveaux d’énergie électronique et structure de bandes................... 32

2. Ordre et désordre..................................................................... 37

Les cristaux.............................................................................. 38

Monocristal et polycristal........................................................... 44

Les verres................................................................................ 47

3. Conducteurs, isolants, semiconducteurs et supraconducteurs...... 53

La conduction métallique........................................................... 54

Isolants et semiconducteurs....................................................... 57

Semiconducteurs intrinsèques et extrinsèques............................... 62

Applications des semiconducteurs : diodes et transistors, cellules photovoltaïques, diodes électroluminescentes.................... 66

Les supraconducteurs................................................................ 71

4. Comportement optique des matériaux....................................... 75

Comportement optique des métaux.............................................. 77

Comportement optique des non-métaux....................................... 81

Les couleurs dans la nature........................................................ 88

5. Propriétés thermiques des matériaux........................................ 91

Les matériaux d’isolation thermique............................................ 95

Les chocs thermiques dans les matériaux..................................... 98

La thermoélectricité.................................................................. 98

6. Les matériaux magnétiques...................................................... 101

7. Les matériaux diélectriques...................................................... 107

8. Des défauts souvent bien utiles................................................ 113

Les défauts ponctuels................................................................ 114

9. La diffusion atomique et la conduction ionique......................... 119

La diffusion atomique................................................................ 120

Les conducteurs ioniques........................................................... 123

10. Comportement mécanique...................................................... 127

Le comportement élastique........................................................ 128

Le comportement plastique........................................................ 130

Les dislocations........................................................................ 133

Contrainte de rupture................................................................ 141

Rupture fragile et rupture ductile................................................ 142

11. Les métaux et alliages métalliques......................................... 147

Le fer et les alliages ferreux....................................................... 149

Les métaux et alliages non ferreux.............................................. 151

12. Les céramiques et le verre...................................................... 155

13. Les polymères....................................................................... 163

Les polymères thermoplastiques.................................................. 164

Les polymères thermodurcissables............................................... 170

Les élastomères........................................................................ 171

Les colles et adhésifs................................................................ 173

14. Les matériaux composites...................................................... 175

Compositions et mise en oeuvre des composites............................ 176

D’excellentes performances mécaniques........................................ 179

Des composites pour les hautes températures............................... 180

Un souci : la difficulté à recycler les composites............................ 181

Matériaux composites naturels.................................................... 181

Matériaux composites granulaires pour la construction................... 184

15. La surface des matériaux........................................................ 187

La corrosion............................................................................. 189

La catalyse............................................................................... 192

Le mouillage des surfaces.......................................................... 195

La superhydrophobie................................................................. 198

L’adhésion des polymères........................................................... 201

16. Les matériaux en couches minces........................................... 203

Couches minces à fonction mécanique......................................... 204

Couches minces à fonction optique............................................. 205

Couches minces à fonction électrique.......................................... 207

Couches minces à fonction catalytique ou photocatalytique............ 208

17. Les nanomatériaux................................................................. 213

Nanostructures : définitions et classifications................................ 214

Propriétés spécifiques aux nanomatériaux..................................... 216

Exemples emblématiques............................................................ 220

Domaines d’application.............................................................. 223

Conclusion.................................................................................... 227