atome liaisons atomiques et moléculaires structure et
TRANSCRIPT
Structure et organisation
des biomatériaux Atome
Liaisons atomiques et moléculaires
Structure et organisation des solides
Défauts de la structure cristalline
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
Biomaterials for Tissue Replacements
Bone Replacements
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
• 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.
Biodegradable nerve guidance
composite foam seeded with bone
marrrow stromal cells
Contact Lens
heart valve prosthesis
Orthopedic implants linked to a form of skin cancer in rare cases
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.
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
structure
properties
performance
traitement
1021 atomes de fer
Macroscopique Microscopique
Tout est fait d’atomes
ARN
Peut-on voir les atomes ?
Microscopie à effet tunnel : Atomes de carbone
Atomes or sur carbone
Des modèles de l’atome
de plus en plus performants
Instituteur et chimiste
Daltonisme
En 1807 :
Météorologie solubilité gaz dans l’eau
Existence des atomes par mesure des masses
John DALTON (1766-1844)
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
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
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.
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).
Modèle fondé sur la
mécanique
ondulatoire
L’évolution continue
Louis de BROGLIE (1892-1987) Nobel 1929
Evolution dans deux directions
-Etude noyau et sa constitution = physique nucléaire
-Etude des électrons et leur comportement = chimie physique
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
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
The energy an electron looses by moving from an
outer to an inner shell is released as a photon, with
energy E = hn
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
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.
Les atomes n’aiment pas rester seuls
Liaisons chimiques
-Solides
-Adhésion
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).
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 :
• Bond length, r
• Bond energy, Eo
F F
r
• Melting Temperature, Tm
Tm is larger if Eo is larger.
PROPERTIES FROM BONDING: TM
• 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
• 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
• Occurs between + and - ions.
• Requires electron transfer.
• Large difference in electronegativity required.
• Example: NaCl
IONIC BONDING
• 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
• 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
• 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
• 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.
Arises from interaction between dipoles
• Permanent dipoles-molecule induced
• Fluctuating dipoles
-general case:
-ex: liquid HCl
-ex: polymer
SECONDARY BONDING
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
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
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
-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
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
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
-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
Les liaisons fortes La liaison covalente
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
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
-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
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
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
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
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
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
3 grands types de matériaux :
-Les métaux et leurs alliages
-Les polymères organiques
-Les céramiques
2.Classification selon composition et
comportement
-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
-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
-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
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
-Les liaisons chimiques
-L’arrangement atomique
-La microstructure
Propriétés des matériaux définis par :
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
Ordre et désordre
Toute substance peut exister sous 3 états physiques distincts :
solide, liquide ou gaz.
3.Structure et Organisation des Solides
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
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
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
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
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
Température
Gaz désordre
Liquide ordre partiel
1000-1500°C Laboratoire
Solide ordre
23-37°C Cabinet
Etat physique des matériaux
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