La matière molle rassemble des états de la matière ou des matériaux connaissant une réponse forte pour un très faible signal de commande. Par exemple, les cristaux liquides : des molécules présentes dans une fine pellicule de l'écran sont réorientées par application d'une très faible tension électrique.

Origine du terme La matière molle est un domaine de recherche à l'interface entre la physique, chimie, et biologie qui s'intéresse à l'étude de systèmes physico-chimiques très variés, que l’on appelle aussi « fluides complexes ». L’expression « matière molle » a été inventée par la physicienne Madeleine Veyssié dans les années 1970 au Laboratoire de physique des solides d’Orsay. Demain la Physique, chapitre 7, sous la direction d’E. Brézin, Odile Jacob, 2004.Le rôle de Madeleine Veyssié dans la genèse du terme matière molle est relaté dans le chapitre consacré à la matière molle du livre Demain la physique (Odile Jacob , avril 2004, 245 x 155, 384 pages (http://www.lps.ens.fr/~balibar/demain.html)., par humourM. Mitov, Matière sensible - Mousses, gels, cristaux liquides et autres miracles (Seuil, 2010), pages 166-167.. Madeleine Veyssié était une proche collaboratrice au Collège de France de Pierre-Gilles de Gennes. Celui-ci obtient prix Nobel de physique en 1991 pour l'ensemble de ses contributions à la physique, en particulier ses travaux pionniers sur l'étude de la matière molle. Néanmoins, le physicien a popularisé ce terme en en intitulant le discours de réception de son prix Nobel soft matter. Cette expression est très utilisée de nos jours, au point que ., un grand journal de la né en 2005 et traitant du domaine, a pris pour nom sa traduction littérale en langue anglaise (le terme soft condensed matter, soit « matière condensée molle », est également utilisé).

Qu'est-ce que la matière molle ?

La physique de la matière molle décrit les propriétés de fluides complexes et des systèmes moléculaires organisés qui sont souvent intermédiaires entre celles des liquides et celles des solides. Tous ces systèmes ont une susceptibilité importante par rapport aux sollicitations extérieures et les interactions mises en jeu entre objets sont de l'ordre de l'excitation thermique, de sorte que les fluctuations thermiques jouent un rôle important.

Le point commun à tous les systèmes de la matière molle, qui peut servir de définition, est que les énergies d’interaction mises en jeu entre objets (liaisons hydrogène, interactions de Van der Waals, etc.) sont comparables à l'énergie thermique kT à température ambiante. Les effets enthalpiques étant du même ordre de grandeur que les effets entropiques, les systèmes sont susceptibles de se réorganiser fortement sous l'effet de variations faibles de l’environnement (température, pression, concentration) ou de faibles sollicitations extérieures (contrainte mécanique, champ électrique, champ magnétique). Du fait du grand nombre d’échelles mises en jeu (énergétiques, spatiales, temporelles), la physique de la matière molle est donc intermédiaire entre la physique des liquides et la physique des solides. Les échelles de taille pertinentes sont dans le domaine mésoscopique entre et . Les interfaces jouent souvent un rôle essentiel.

Systèmes expérimentaux de la matière molle

Les objets caractéristiques constitutifs des systèmes de la matière molle sont des fluides complexes tels que les polymères, les colloïdes, les tensioactifs, les cristaux liquides, les protéines ou plus généralement les biopolymères. Des phénomènes comme l’adhésion et le mouillage sont souvent traités dans le cadre de la physique de la matière molle. Nous résumons dans les différents paragraphes qui suivent les caractéristiques importantes des polymères, des colloïdes et des tensioactifs. Ils forment les « briques élémentaires » d’assemblages ou de matériaux (type polymères fondus, cristaux liquides, fluides physiologiques ou agroalimentaires, peintures, pétrole, cosmétiques, mousses, boues, milieux granulaires) ayant un vaste champ d’applications industrielles dans des domaines tels que l’industrie des plastiques, des cosmétiques, de l’agroalimentaire, la pharmacologie Le domaine est en plein essor, en particulier parce que les progrès réalisés par les chimistes lors de ces dernières années sur la synthèse des objets (contrôle de la taille et de la morphologie de nanoparticules, click-chemistry) permettent de réaliser en pratique une infinité d’architectures associant deux (ou plus) types d’objets afin de combiner les propriétés remarquables des objets individuels (mécaniques, optiques, magnétiques). Il y a par exemple à l’heure actuelle des recherches très actives sur le développement de matériaux appelés intelligents, capables de changer spontanément de forme ou de couleur sous l’effet d’un stimulus externe tel que le pH ou la température… Les systèmes formés d’objets organisés en 2D ont également un rôle technologique très important puisqu’ils permettent de moduler des propriétés telles que la tension de surface, le mouillage, l’adhésion…

Les systèmes de la matière molle présentent les points communs suivants :

les échelles de taille caractéristiques des objets qui les constituent varient du nanomètre à la centaine de nanomètres ; dans un système donné, il est extrêmement rare, à l’exception des protéines ou de certains biopolymères comme l’ADN, que tous les objets aient exactement la même forme et/ou la même taille. Cette polydispersité peut modifier fortement les propriétés physiques des systèmes. À l’échelle des assemblages, puisqu’ils sont non covalents, les fluctuations thermiques peuvent induire des fluctuations de taille importante, aussi bien temporelles que d’ensemble ; les objets ayant une petite taille, ils ont de grandes surfaces spécifiques. Les effets surfaciques et interfaciaux sont donc souvent très importants et deviennent parfois prépondérants par rapport aux effets de volume ; l'importance des effets entropiques sur la physique des systèmes peut modifier fortement leurs propriétés lorsque l’on change leur dimensionnalité (couches minces 2D) ou que l’on confine les objets ; du fait de la complexité des systèmes, l’exploration de l’espace des phases se fait souvent en plusieurs étapes distinctes et peut varier très fortement entre deux systèmes très proches du point de vue de la composition. La mise à l’équilibre des systèmes présente alors plusieurs temps caractéristiques et peut varier sur plusieurs décades temporelles pour atteindre des temps extrêmement lents, supérieurs à la seconde, dans certains cas. Puisque les effets enthalpiques sont du même ordre que les effets entropiques, il arrive par ailleurs que les systèmes restent cinétiquement piégés dans des minima lors de l’exploration de l’espace des phases et restent hors d’équilibre. C’est le cas suspensions colloïdales, qui vitrifient à haute concentration et servent de systèmes modèles pour la compréhension des mécanismes de la transition vitreuse.

Polymères

Les polymères ou macromolécules sont des molécules faites d’un grand nombre d’unités de répétition, ou monomères. Leur diversité chimique – homopolymères faits d’un seul monomère, des copolymères statistiques ou à bloc… en partant d’une grande variété de monomères existante – et topologique – des molécules linéaires, branchés, en étoile, en anneau… – semble plus ou moins illimitée. Ajoutons des fonctions ou des propriétés particulières à cette diversité (caractère hydrophobe/hydrophile, agrégation ou association, polyélectrolyte, possibilités de complexation avec des ions ou des particules…), sans parler de leurs applications (de la solution polymère au matériau en volume) et il apparait clairement que le grand nombre de conformations possibles des macromolécules fournira des sujets de thèse encore pendant longtemps.

Une macromolécule possédant par définition un grand nombre de sous-unités, il s’agit d’objets nécessitant intrinsèquement une approche statistique pour décrire leurs conformations. Le cas le plus simple est celui d’une chaîne linéaire idéale, comme on peut l’observer en solution dite « thêta », ou en fondu. La conformation s’apparente à une pelote statistique, dont la taille typique est donnée par le rayon de giration , où est la longueur de l’unité de répétition et le nombre de motifs. Il est possible de mesurer Rg dans une expérience de diffusion de neutrons aux petits angles, et c’est précisément ce type d’application où les neutrons sont performants, notamment grâce à la substitution isotopique permettant de rendre visible certaines molécules uniquement. Une conséquence directe de la dépendance du Rg en est une dépendance angulaire de l’intensité diffusée suivant une loi d’échelle caractéristique, des déviations de l’idéalité se manifestant par des lois d’échelle différentes. Par ce biais, la diffusion de neutrons a fortement interagi avec les ‘Scaling concepts in polymer physics’ popularisés par Pierre-Gilles de Gennes Pierre-Gilles de Gennes, "Scaling Concepts in Polymer Physics"; Cornell University Press, Ithaca (NY), 1979.. La mesure des conformations va aujourd’hui bien au-delà de ce cas très simple, et différents exemples ont été traités dans la littérature. Thomas Zemb et Peter Lindner (dir.), Neutron, X-Ray and Light Scattering, Elsevier, 2002..

Dispersions colloïdales

Un système colloïdal est une dispersion dans un milieu porteur d’objets soumis à une agitation Brownienne suffisamment importante pour ne pas sédimenter. Il existe des dispersions de types variés telles que les suspensions colloïdales (dispersions de particules solides dans un liquide), les fumées (particules solides dans un gaz), les mousses (objets gazeux dans un liquide), ou les émulsions (objets liquides dans un liquide) "La Juste Argile", éditeurs C. Williams, M. Daoud, Les Éditions de Physique, 1995. . Les particules, appelées colloïdes, ont une taille comprise entre et . La limite inférieure est imposée par l’obligation de pouvoir considérer la suspension comme un système pour lequel les échelles de taille entre les particules et les molécules du milieu porteur sont très différentes. La limite supérieure est imposée par l’obligation de pouvoir considérer le mouvement des particules comme complètement Brownien et non perturbé par des effets de gravitation ou d’interactions hydrodynamiques.

Les particules, d’origine naturelle ou synthétique, peuvent avoir des tailles et des morphologies variées (billes, sphères, disques, bâtons, cubes, haltères, etc.) ainsi que des propriétés physiques intéressantes (optiques, catalytiques, magnétiques…) provenant soit des propriétés intrinsèques des matériaux, soit d’effets quantiques liées à leur taille réduite (résonance plasmon, quantum dots…).