vignette|Le lait est une suspension colloïdale de globules gras dans l'eau.
Les colloïdes sont définis internationalement, par l'IUPAC, comme des « systèmes colloïdaux », avec la définition suivante :
Le terme désigne un état de subdivision, avec des molécules ou des particules polymoléculaires dispersées dans un milieu et dont la taille, au moins dans une direction, est entre 1 nanomètre et 1 micromètre, ou avec des discontinuités à des distances de cet ordre de grandeur.
Un colloïde est ainsi une dispersion d'une ou plusieurs substances suspendues dans un liquide, formant un système à deux phases séparées. Il s'agit d'un mélange hétérogène de particules dont les dimensions vont du nanomètre au micromètreCes limites approximatives sont des ordres de grandeur.. Ces particules ont donc la taille d'une nanoparticule, même si elles ne sont pas spécifiquement considérées en tant que telles. On parle de « suspension » pour un colloïde et non de « solution ». Les colles et les gels sont des colloïdes et forment des suspensions dites colloïdales. Les suspensions colloïdales sont intermédiaires entre les suspensions (particules de taille supérieure au micromètre) et les solutions vraies (particules de taille inférieure au nanomètre).
Un colloïde peut aussi être une substance sous forme de liquide ou galénique semi-solide comme certaines préparations pharmaceutiques, cosmétiques, etc. qui contiennent en suspension des particules suffisamment petites pour que le mélange soit macroscopiquement homogène.
La pectine (polysaccharide), certaines protéines, telles l'ovalbumine ou la gélatine, forment des suspensions colloïdales, dites macromoléculaires et permettent de fabriquer des flans et des gelées. D'autres glucides de haut poids moléculaire, tels l'amidon ou la cellulose, peuvent également former des colloïdes. Les peintures sans odeur, le lait ou le plasma sanguin sont des suspensions colloïdales. Les métaux, comme l'argent (Collargol) ou l'or, le cuivre, peuvent se présenter sous forme de suspension colloïdale. Les composés tensio-actifs (détergents) forment des suspensions colloïdales dites micellaires. Les pellicules photographiques sont des gels.
Le terme « colloïde » vient du grec , « colle », nommé ainsi par Graham en 1861Liquid Diffusion Applied to Analysis. Thomas Graham, Phil. Trans. R. Soc. Lond. 1861 151, 183-224 car la substance ne diffuse pas à travers une membrane semi-perméable.
Définition d'un colloïde Traditionnellement, le domaine colloïdal est défini à partir de quelques lois décrivant un comportement spécifique de la matière pour une échelle caractéristique de ses composants colloïdaux s'étalant du nanomètre au micromètre, c'est-à-dire des échelles telles qu'en milieu liquide, l'agitation thermique est observable.
En effet, si on considère une particule de diamètre d et de masse m dans un solvant, on peut comparer l'unité d'énergie thermique kBT à la variation d'énergie potentielle associée à la gravité si la particule se déplace en hauteur d'une altitude égale à son diamètre. D'après la définition ci-dessus, l'échelle colloïdale se caractérise par une prépondérance de l'énergie thermique par rapport à la gravité, conduisant à la relation suivante :
.
Pour une particule de polystyrène (densité = 1.05), on constate que la relation ci-dessus n'est vérifiée que si le diamètre de la particule d < 1 µm.
Le système colloïdal est un mélange, constitué d'au moins une phase dispersée dans un milieu suspensif (id. phase dispersante)Le terme phase est ici à manipuler avec précaution car il désigne habituellement l'état du système lui-même. C'est pourquoi, dans certains cas, de nombreux auteurs préfèrent parler de particules de solutés baignant dans un solvant pour évoquer les gouttes ou les solides en suspension.. La caractérisation principale de ce mélange est l'effet négligeable des effets de gravitation par rapport à ceux de l'agitation thermique, dont la conséquence est l'absence de précipitation des particules colloïdales. À l'autre bout de l'échelle, les particules colloïdales doivent être suffisamment grosses pour que ce ne soit pas un mélange vrai (dans lequel les particules sont dissoutes et non suspendues), c'est-à-dire que ces particules ont une taille supramoléculaire et sont beaucoup plus grosses que les molécules du milieu porteur. De par cette définition, on comprend qu'il ne peut y avoir de suspension colloïdale de type gaz/gaz.
On distingue différentes catégories de colloïdes selon la nature des phases en présence : Milieu \ Phase Phase disperséeGaz (bulles)Liquide (gouttes)Solide (particules)Milieu continuGazAUCUN(Tous les gaz sont miscibles)Aérosol liquideExemples : brouillard, brume, nuageAérosol solideExemples : fumée, particules aériennesLiquide MousseExemples : crème fouettée, mousse au chocolatÉmulsionExemples : lait, pastis, mayonnaise, savon liquideSolExemples : peinture, certaines encresSolideMousse solideExemples : aérogel, polystyrène expansé, pierre ponceGelAussi appelé émulsion solide. Exemple : beurre, gel hydroalcooliqueSol solideAussi appelé suspension solide. Exemples : cémentite dans l'acier, verre groseille
Par abus de langage, on verra souvent l'appellation colloïde désigner seulement la phase dispersée (la plus « fine »).
Toutefois le tableau ci-dessus est insuffisant, parce qu'il n'envisage pas les systèmes colloïdaux à plus de deux phases. Pour décrire de tels systèmes, un « formalisme des systèmes dispersés » (DSF) a été introduit.
État des connaissances sur les colloïdes En chimie La stabilité d'une suspension colloïdale simple, comme des nanoparticules d'or dans une solution aqueuse, résulte de l'équilibre entre les interactions attractives et répulsives qui s'exercent sur les particules. Ces interactions dépendent notamment de la température, du pH et des électrolytes dissous : les argiles et les limons forment des suspensions colloïdales qui floculent en présence de métaux ou de sels, ce qui explique notamment l'envasement des estuaires.
Néanmoins, cette stabilité est plus que réellement thermodynamiqueLes colloïdes alimentaires, Eric Dickinson, Éditions Masson, 1996. En effet, la sédimentation de la phase diffusée et donc la séparation des deux phases est l'état final de tout colloïde (cf. courbes de potentiels thermodynamiques du système). C'est la vitesse de ce phénomène de floculation/sédimentation, très lente, qui donne cette apparence de stabilité.
En biologie et en biochimie Les colloïdes sont fréquents dans le vivant, synthétisés par de nombreuses espèces, fongiques, bactériennes, végétales ou animales selon des conditions bio-physicochimiques variant beaucoup selon le type de colloïde et d'espèce.
Certains colloïdes (mucilages fongiques ou végétaux, mucus animaux, colloïdes sécrétés par des bactéries...) jouent un rôle important dans le transport (alors dit bio-colloïdal) de certaines substances, notamment de métaux lourds présents dans l'eau ou les sols. Ils sont aussi impliqués dans certains phénomènes de biosorption de tout ou partie de ces substances par certains organismes, par exemple lors de phénomènes de biolixiviation de métaux ou radionucléides. La compréhension de ces phénomènes pourrait avoir un intérêt médical, vétérinaire et en termes de bioremédiation de sols pollués (et sédiments)Guiné V (2006) Approche expérimentale et théorique de la réactivité de surface et de la mobilité des colloïdes bactériens en milieu poreux: impact sur le transfert accéléré de métaux lourds et intérêt pour la bio-dépollution des sols (Thèse de doctorat, Grenoble, INPG) (résumé).
En physique Interactions interparticulaires Les forces suivantes jouent un rôle important dans l’interaction entre particules colloïdales : l'interaction électrostatique. Les particules colloïdales portent souvent des charges électriques ce qui les fait s'attirer ou se repousser. Les charges contenues dans la phase continue (ions en solution dans le milieu porteur) ainsi que la mobilité des deux phases affectent cette interaction (effet d'écran Debye) ;
les forces entropiques. D'après le deuxième principe de la thermodynamique, un système évolue vers un état qui maximise son entropie. Il peut en résulter des forces effectives même entre des sphères dures. Des particules solides ne peuvent s'interpénétrer, il peut en résulter les effets de volume exclu comme la force de , cette force effective entre les solutés est induite par la présence du solvant. Cette force de déplétion est une force attractive à très courte distance (de l'ordre de la taille des particules de solvant) entre deux particules de solutés, créée par l'absence statistique de solvant dans cette zone. Une expression analytique de cette force existe pour les sphères dures (modèle de Asakura et Oosawa)S. Asakura and F. Oosawa. J. Chem. Phys, 22:1255, 1954. Les forces stériques (dues à la disposition, à la conformation des particules) sont entropiques par nature : il arrive que des surfaces couvertes de polymères ou des polymères non adsorbés en solution produisent des effets stériques supplémentaires.
Stabilisation d'une dispersion colloïdale (peptisation) On cherche à stabiliser une dispersion colloïdale en empêchant l'agrégation des particules de la phase dispersée. Les deux principaux mécanismes sont la stabilisation stérique et la stabilisation électrostatique. La stabilisation électrostatique est basée sur la répulsion des charges de même signe. Des phases différentes ont souvent des affinités électrostatiques différentes ce qui provoque la formation d'une double couche électrique à l'interface. Dans un milieu dispersé, l'aire de l'interface est d'autant plus importante que les particules sont petites. Dans une dispersion colloïdale stable la masse de la phase dispersée est trop faible pour que la gravité vainque la répulsion électrostatique. La charge portée par les particules peut être observée en appliquant un champ électrique : toutes les particules migrent alors vers la même électrode ce qui indique qu'elles portent des charges du même signe. La stabilisation stérique consiste à fixer autour des particules des polymères ayant une forte affinité avec le solvant (affinité plus forte qu'entre deux monomères) ainsi lorsque deux polymères vont se rencontrer ils préfèreront interagir avec le solvant et se repousseront.
Déstabiliser une dispersion colloïdale (floculation) Lorsque les particules s'agrègent à cause des interactions interparticulaires, on parle de dispersion instable. Certaines applications (traitement des eaux usées, épitaxie de cristal colloïdal) demandent de provoquer une telle floculation. On peut y parvenir suivant différents procédés : Suppression de la barrière électrostatique qui empêche l'agrégation via l'ajout de sel ou la modification du pH. Ces méthodes neutralisent ou « écrantent » les charges portées par les particules. Celles-ci se rapprochent alors à portée des forces de Van der Waals qui les coagulent entre elles. Ajout d'un polymère chargé de façon opposée aux particules ce qui lui permet de former des ponts entre elles. Par exemple des particules de silice ou d'argile chargées négativement peuvent floculer par l'addition d'un polymère chargé positivement. Ajout d'un polymère non adsorbant pour induire une attraction de déplétion. La déformation des particules peut augmenter les forces de Van der Waals, leur faisant dépasser les forces de stabilisation. Les colloïdes coagulent alors suivant certaines orientations.
Les suspensions colloïdales de basse fraction volumique forment des suspensions d'agrégats qui finissent par sédimenter (ou crémer) lorsque leur taille devient trop importante pour que l'agitation thermique (mouvement brownien) puisse contrebalancer la gravité. Les suspensions de haute fraction volumique forment des gels colloïdaux aux propriétés viscoélastiques. Le dentifrice par exemple coule lorsqu'il est poussé hors du tube mais reste ensuite sur la brosse à dents.