Texture des matériaux divisés - Aire spécifique des matériaux pulvérulents ou nanoporeux

Cet article a pour objectif la détermination, par adsorption gazeuse, de l’une des principales caractéristiques des matériaux poreux ou pulvérulents : l’étendue de leur aire superficielle. L’échelle considérée s’étend, pour les particules, entre 1 nm et 1 mm et, pour les pores, entre 0,1 et 50 nm.

Les « solides divisés » (soit pulvérulents, soit poreux) sont omniprésents dans la nature et dans les procédés industriels.

Dans la nature, l’aire superficielle et la porosité d’un sol déterminent en grande partie la capacité de rétention non seulement d’eau mais aussi de substances fertilisantes, désherbantes, phytosanitaires, ou encore toxiques (métaux lourds, éventuellement radioactifs). Les sables, dans leur forme la plus divisée, sont capables de rester en suspension dans l’air où ils constituent un aérosol de poussière pouvant être transporté sur des milliers de kilomètres, avant d’être précipités au sol par les pluies : c’est ainsi que la poussière rose ou jaune du Sahara se retrouve, un lendemain de pluie, sur les voitures du midi de la France.

Dans les procédés industriels, le même phénomène, une fois maîtrisé, contrôlé et, surtout canalisé, est aujourd’hui à la base du transport pneumatique des poudres : farines alimentaires, ciments, soufre, talc, etc… Une autre particularité des poudres très fines est leur aptitude au « frittage », c’est-à-dire à une soudure des particules à une température très inférieure à la température de fusion du matériau. Cette propriété est à la base de l’industrie de la poterie et de la céramique mais elle s’applique aussi aux poudres métalliques : c’est de cette manière que les Étrusques fabriquaient des statuettes en or dans des fours pourtant incapables d’atteindre la température de fusion de l’or (1 063 °C), grâce à la prise en masse de la poudre d’or compactée.

Ce sont toutefois les propriétés adsorbantes des matériaux poreux qui ont engendré les applications les plus diversifiées. Depuis longtemps en effet, l’homme a exploité les propriétés adsorbantes du charbon ou de pierres poreuses volcaniques à des fins médicales (aspiration du venin d’une plaie) ou encore la porosité des poteries pour permettre leur refroidissement par évaporation de l’eau qui les traverse. Aujourd’hui, on invente des adsorbants nouveaux qu’on ajuste le mieux possible (en granulométrie, en taille de pores, en fonctions chimiques superficielles) aux applications visées.

Il est aisé de comprendre que l’efficacité de ces adsorbants n’est pas sans lien avec l’étendue de leur aire superficielle, d’où l’intérêt d’une mesure fiable de cette caractéristique. Dans ce but sont successivement examinées dans cet article la complexité de texture des matériaux divisés et la manière dont l’adsorption d’un gaz par un solide peut permettre d’accéder à son aire superficielle à l’aide des méthodes les plus courantes. La qualité et la signification exacte des résultats obtenus sont aussi commentées.