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Maïzena+eau, un mélange étonnant

DOSSIER DE TPE de 1ère
by

Morgane Nadal

on 3 April 2014

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Transcript of Maïzena+eau, un mélange étonnant

I. Composition et structure chimique
SOMMAIRE
Introduction
Introduction
II. Résistante pour une protection future?
Au vu des résultats obtenus, nous en avons déduit qu'il était intéressant de continuer sur des tests plus poussés afin de déterminer si notre matériau était bien exploitable. Tout d'abord, nous testerons sa durabilité puis nous calculerons son taux de résistance aux chocs.
Conclusion
Maïzena+eau, un mélange étonnant
Expérience 2
A quel point la solution fécule (Maïzena) et eau est-elle résistante, et peut-elle devenir un matériau pour des équipements de protection futurs ?
I. Composition et structure chimique
II. Résistante pour une protection future?
Conclusion
Expérience 1 :
Trouver les proportions adaptées
Résultats
B1 et B2
B4
B3
Observation au microscope de l'amidon et de l'eau
Expérience 3
Lors d'une observation, nous avons constaté que le mélange Maïzena+eau présentait des propriétés résistantes tout à fait stupéfiantes. La solution est en même temps solide et liquide. En effet, qui aurait pensé qu'un liant servant pour la cuisine réagirait de cette façon? Intriguées par cette découverte, nous avons réalisé des expériences afin de déterminer si une telle matière était exploitable. Il serait effectivement intéressant de pouvoir créer un matériau qui serait autant utile qu'abordable, ne coûtant pas une somme d'argent considérable, comme on voit de nos jours avec les protections de sports, par exemple.
Formule topologique de la molécule d'amidon
La Maïzena est composée d'
amidon
ou fécule de maïs qui sont des molécules polysaccharides (avec poly signifiant plusieurs, et saccharide glucide). Celles-ci se présentent donc selon un assemblage complexe de glucose, que nous avons visualisé sur
Rastop
.
Formule brute
: (C6 H10 O5)n
L'amidon est un enchaînement de motifs (glucose) qui se répètent le long de la molécule (aussi appelé h
omopolymère
). Ces principaux constituants sont l'
amylose
(molécule linéaire représentant environ 25% de la fécule) et l'
amylopectine
(ramifiée, comme vue précédemment. qui constitue 75% de l'amidon.)
Observation au microscope
Nous observons que la Maïzena est emplie de nombreuses petites masses coagulées qui se superposent les unes sur les autres en formant un assemblage compact d'amidon.
Polarité de la molécule
Puisqu'elle possède des groupes hydroxyle (-OH), la molécule est forcément polaire. L'amidon devrait donc être très soluble dans l'eau qui est également polaire. Or ce n'est pas le cas : même si finalement soluble totalement, elle ne l'est qu'après forte agitation.
Hypothèse 1 :
L
a solution serait saturée en amidon d'où la texture visqueuse.
Hypothèse 2 :

Le fait que les molécules soient longues et volumineuses pourrait expliquer la mauvaise solubilité dans l'eau.

Bilan :
Quand on les presse, l'eau s'échappe entre les molécules d'amidon qui se lient les unes aux autres par des attractions électriques (liaisons hydrogène et liaisons de Van Der Walls, ces dernières étant d'autant plus fortes que les molécules sont volumineuses). Cela donne cette texture solide. Quand la pression s'arrête, les molécules d'eau se faufilent entre les molécules d'amidon, brisent les intéractions, et permettent ainsi qu'elles glissent plus facilement les unes sur les autres, d'où la texture quasi-liquide.
Nous le verrons plus tard dans l'observation au microscope.
Protocole :

- Mélanger 30g de Maïzena à 30mL d'eau à température ambiante dans le bécher B1 de 100mL.
- B2 : Même expérience avec de l'eau chaude.
- B3 et B4 : Adapter les doses en fonction des résultats obtenus.
B5 et B6 sont constitués de 60% de Maïzena et de 40% d'eau.
B5 est placé au frigo.
B6 est laissé à l'air libre.
Après trois semaines, B5 est totalement desséché
.
Après trois semaine à l'air libre, B6 est desséché et présente un certain stade de moisissure.
Trois semaines après, on ajoute trois nouveaux béchers Ba, Bb et Bc. Cette fois, ils sont protégés d'un film plastique alimentaire et sont placés au réfrigérateur.
Ba, Bb et Bc, après une semaine, présentent tous le même aspect ci-dessous.
Après trois semaines, Ba commence à moisir et l'eau s'est évaporée. Tandis que Bb et Bc sont en bon état.
Nous pensons que le film plastique de Ba n'était pas bien fermé d'où la moisissure et l'évaporation.
Nous prélevons une petite quantité de notre solution, la plaçons sur deux lamelles, l'une avec l'eau iodée, l'autre avec l'eau distillée.
Nous observons le même résultant pour les deux : la Maïzena forme des petites "boules", mais moins proches les unes des autres car l'eau s'est infiltrée. Seule différence : avec l'eau iodée, on observe de l'amidon violet.
On cherche à mesurer le taux de résistance aux chocs. Pour cela, nous réalisons l'expérience suivante :
1ère réalisation :
Elle a été très délicate à réaliser. En effet, si la bille était lancée de trop bas, la solution n'affichait pas ou peu de résistance. Quand on la lançait de plus haut, elle rebondissait sur la solution devenue dure puis s'enfonçait une fois l'énergie du choc absorbée. Déstabilisées, nous n'avons pu réaliser aucune mesure.
2ème réalisation :
Malgré l'échec de la précédente expérience, nous décidons de la réaliser de nouveau. Il s'agissait donc de lancer un poids et une bille de masse différente et à partir de hauteurs variées dans un bécher contenant 90g de Maïzena et 60mL d'eau. Nous réussissons à obtenir des résultats exploitables.
3ème réalisation :
On obtient quasiment les mêmes résultats que la seconde réalisation.
Résultats :
Exploitation graphique:
Une application :
Genouillère, coudière
Sources :
Le graphique présentant l'enfoncement de la bille nous montre bien que plus
la hauteur augmente, moins la bille s'enfonce
. C'est à dire, le mélange oppose une force de réaction de plus en plus forte. Cela est spécifique à cette solution puisque la même expérience, faite avec de l'eau, n'afficherait pas un tel taux de résistance.
De plus, on observe que les deux courbes présentent la même allure. Il n'y a donc pas eu de grosse erreur dans la réalisation.

Enfin, l'objet de 50g s'enfonce moins profondément que celui de 31,6g pour une même hauteur car son poids (pour une même hauteur mais une masse plus élevée) est plus important.
On peut donc conclure que
plus la force appliquée est grande, plus la solution affiche de résistance
. Et nous allons le prouver quelques diapositives plus loin.
Premièrement, il est important de noter que ces expériences ont été réalisées à l'oeil nu, sans appareil de mesure spécifique (sauf évidemment pour ce qui est des mesures de masses et de volumes). La précision est donc assez peu respectée, mais n'oublions pas que notre but principal est néanmoins de voir apparaître une courbe de tendance à exploiter.
Nous essayons de nous rapprocher le plus possible des notions de taux de cisaillement et de taux de déformation. On considèrera donc ici que l'énergie potentielle de pesanteur des objets représente la contrainte de cisaillement, et que leur enfoncement est le taux de déformation.
Vidéo ralentie de l'expérience
Les fluides
Nous avons donc pu déterminer avec certitude que ce matériau (Solution Maïzena et eau) pourrait être utilisé pour ses propriétés résistantes. De plus, ce produit reste naturel et relativement accessible du point de vue économique. Cependant, la solution n'est durable que sous certaines conditions car il s'agit avant tout d'une matière organique. Notre produit reste donc un prototype et il faut de plus lui trouver un contenant hermétique, résistant et élastique.
Petite ouverture :
D'autres matériaux ont déjà été développés dans le même but:
Le projet "SmartArmour", d'abord dans un objectif militaire, cherche à créer une matière capable de protéger les mains et le visage, et à l'interposer entre les couches de Kevlar dans le gilet pare-balles.
Des japonais ont aussi développé le D3o servant aux protections de sport tels que le vélo ou la moto.
vidéo coupée provenant de youtube : "D3o, l'Alpha Gel et le Bêta Gel"
Toutes les photos et vidéos ne comportant pas d'indications ont été réalisées par nous-mêmes.
Les règles en papier ne sont ici pas significatives car il s'agissait juste de prendre des vidéos du rebond de la bille.
image: sciencetonnante.wordpress.com
formule topologique: wikipédia
image : library.thinkquest.org
Les fluides se caractérisent par leur
viscosité
et leur
plasticité
(élasticité) : cela s'appelle le
comportement rhéologique
d'un fluide. Il existe différents types de fluides :

LES FLUIDES NEWTONIENS

Ce sont des fluides dont la résistance (que l'on peut assimiler au
taux de déformation
) est
proportionnelle à la force appliquée
(contrainte ou
taux de cisaillement
). Sa courbe représentative est donc linéaire.
Voici quelques exemples : l'eau, le lait, l'air...

LES FLUIDES NON NEWTONIENS

Un fluide est dit non newtonien lorsque le
taux de déformation n'est pas proportionnel au taux de cisaillement
(le sable en bord de mer qui est dur quand on saute dessus, et malléable sous faible contrainte).
-> fluides rhéofluidifiants
Plus on leur applique une force importante, plus leur viscosité diminue (gouache).
→ fluides rhéoépaississants
Plus on leur applique une force importante, plus la viscosité augmente, jusqu'à parfois devenir solide (Maïzena, sables mouvants).
-> fluides de Bingham
Ils réagissent comme des fluides newtoniens mis à part qu'il y a un seuil de contrainte avant que leur viscosité n'augmente (mayonnaise).

Certains fluides dépendent du temps : les uns restent dans un même état, d'autres reviennent à leur état d'origine (au repos).
=Fluide rhéofluidifiant
=Fluide rhéoépéssissant
=Taux de déformation
Taux de cisaillement=
Cela n'explique pas la résistance ni la texture tantôt solide, tantôt liquide...
Indication :
la hauteur de lancer est déterminée à partir de la surface de la solution, et non pas à partir du socle de la potence.
Il est conseillé de suivre l'ordre des diapositives. Néanmoins, vous pouvez vous déplacer et zoomer librement.
Pour zoomer, une icône au milieu à droite apparait quand la souris passe à proximité.
Pour se déplacer, maintenez le clic gauche et bougez la souris.

graphique : http://hmf.enseeiht.fr/travaux/projnum/content/rheologie-des-fluides-non-newtoniens
Exploitation graphique :
Mais nos graphiques en sont la preuve. D'après celui que nous avons trouvé sur internet (de très nombreux sites en présentaient, celui-ci était l'un des plus lisibles et des plus pertinents), nous pouvons voir que la courbe représentant "the dilatant fuid" est très similaire aux nôtres. Or il s'agit de la courbe représentant le taux de cisaillement en fonction du taux de déformation d'un fluide
rhéoépaississant
.
Wikipédia
:
http://fr.wikipedia.org/wiki/Fluide_(mati%C3%A8re)
La solution est donc durable sous certaines conditions : il faut la mettre dans un récipient hermétique au réfrigérateur.
L'origine des énergies potentielles de pesanteur est la surface de la solution.
Il s'agit certes d'une expérience moins sérieuse que les autres, mais qui nous a néanmoins montré que notre solution remplissait nos attentes.
Nous avons également réalisé l'expérience en nous attachant la protection sur le coude. Nous nous frappions alors le coude contre la table à différents degrés de puissance.
Nous ressentions encore l'onde de choc, mais aucune douleur.

Nous avons également fait cela sans cette protection. Nous avons frappé avec
beaucoup
moins d'entrain... Et nous avons stoppé l'expérience
beaucoup
plus tôt...
Nos deux graphiques présentent la même allure: celle d'une courbe croissante.
Tout d'abord, d'après les informations que nous avons recueillies sur les fluides, nous pouvons affirmer que la solution amidon et eau est un fluide rhéoépaississant.
Notons d'abord que nous avons choisi de négliger les contraintes de bords et de profondeur (en effet, pour le même volume de solution avec une surface plus étalée et moins profonde, on observe une résistance très légèrement supérieure).
Une explication rapide
:
de Joël Ignasse
http://sciencesetavenir.nouvelobs.com/fondamental/20110224.OBS8638/l-apprenti-chimiste-des-experiences-amusantes.html
L'amidon :
http://mpronovost.ep.profweb.qc.ca/BIONP1/bionp1_molecules_glucides.html#amidon
de Michel Pronovost
http://www.enzyme.wikibis.com/amidon.php
Chez les végétaux, il a un rôle très important : il permet de stocker des nutriments et de l'énergie, et joue un rôle dans la germination des graines. En restant simple, sous l'action d'enzymes, l'amidon se dissocie en glucose qui est ensuite utilisé par le végétal pour créer de l'énergie. Il en est de même pour les animaux avec l'enzyme salivaire et digestif d'amylase (il brise les polysaccharides).
Comportement rhéologique des différents fluides
Mécanique des fluides
:
http://hmf.enseeiht.fr/travaux/projnum/content/rheologie-des-fluides-non-newtoniens
Elèves du Département "Hydraulique - Mécanique des Fluides" de l'ENSEEIHT.
Ce travail a été réalisé par
ASTIER Laura
,
GILLIBERT Jade
,
NADAL Morgane
, en classe de 1ère S4 au Lycée Vauvenargues.

Nous remplissons une poche de perfusion avec notre matériau.
Full transcript