SiO₂ + 2 C --> Si + 2 CO

La production mondiale de silicones est surtout localisée aux États-Unis dans la «Silicon Valley» (Dow Corning Corporation et General Electric Compagny). Elle est aujourd'hui estimée à plus de cinq cent milles tonnes par année et rapporte plusieurs billions de dollars. Les profits que rapporte la fabrication de silicone peuvent paraître faibles si l’on compare avec les produits pétroliers ou les composés organiques conventionnels, mais si l’on considère son application dans le domaine des matériaux très performants, on ne peut pas laisser tomber cet important produit. De plus, avec un accroissement moyen de 10 % par année, on peut facilement constater que cette sphère industrielle est en pleine expansion. Il est important de savoir ce que sont les silicones avant d'aborder ses applications de façon plus spécifique. De manière à découvrir la structure de ceux-ci, nous allons décrire les principales découvertes chimiques qui ont permis d'en arriver à une telle structure.

Il y a environ 125 ans, le Français Charles Friedel et l'Américain James Crafts ont préparé les premiers composés où il y avait des liaisons silicium–carbone. Ce n’est que peu de temps après qu’Albert Ladenburg élabore les premiers silicones. L'Anglais Frederick Stanley Kipping est considéré comme le père de la chimie organosilicique, car il est le premier à avoir étudié ce domaine scientifique, et ce, dès le début de ce présent siècle. Le développement a ensuite suivi deux tangentes principales : d'un côté le développement industriel et de l'autre la recherche. La recherche, de son côté, a permis de nombreuses découvertes dans le domaine de la chimie organique conventionnelle et il sera justement question de ce sujet un peu plus loin dans ce texte. Pour ce qui est des applications industrielles, elles ont vraiment été conçues vers la fin de la seconde guerre mondiale par un procédé de fabrication à grande échelle élaboré par l'Allemand Richard Müller. L'essentiel de ce procédé, appelé communément synthèse directe, consiste à faire agir le chlorure de méthyle (chlorométhane) à chaud sur du silicium, préalablement isolé, en présence de catalyseurs et notamment de dérivés du cuivre.

Si + CH₃Cl --> (CH₃)₂SiCl₂ diméthyldichlorosilane

ou --> CH₃SiCl₃ méthyltrichlorosilane

Ensuite le diméthyldichlorosilane est hydrolysé en diméthylsilanediol, communément appelé le silanol (le chlore est remplacé par des groupements (OH)) selon :

(CH₃)₂SiCl₂ --> (CH₃)₂Si(OH)₂ diméthylsilanediol(silanol)

Pour terminer, l'eau entre deux molécules de silanol est éliminée conduisant à la formation de chaînes linéaires de polysiloxanes, ce qui constitue les silicones proprement dits.

Le squelette des silicones est donc constitué d'un enchaînement de silicium et d'oxygène sur lequel, au niveau des silicium, sont rattachés des groupements méthyles, ce qui leur confère un caractère organique. Le squelette de ceux-ci, est donc totalement inorganique contrairement aux polymères classiques, ce qui donne lieu à des propriétés originales mais utiles.

Après avoir démontré les étapes entraînant la formation des silicones, voyons maintenant ses différentes formes et applications. L’on retrouve les silicones sous formes d’huiles ou de produits solides. C'est la longueur de la chaîne siloxanique qui déterminera sous quelle forme se présentera les silicones. Par le procédé de vulcanisation, qui consiste à établir des ponts entre les chaînes, on obtient des élastomères de silicones, communément appelés du caoutchouc. Pour obtenir des résines à base de silicones, on doit introduire dans le mélange l'un des produits de la première étape de la réaction, le méthyltrichlorosilane. Le but de cette réaction est de former des structures polysiloxaniques qui s'étendent dans trois dimensions ce qui entraîne une plus grande rigidité au composé.

Tout comme la majeure partie des composés chimiques, les propriétés des silicones sont étroitement liées à leur structure. Ainsi, comme nous l'avons vu précédemment, le squelette des silicones est constitué d'une chaîne Si–O–Si–O, etc. Cet enchaînement traduit la grande affinité du silicium pour l'oxygène et la très grande énergie de la liaison silicium–oxygène. Les liens entre ces deux propriétés structurales et les propriétés chimiques du silicone sont évidents. Ceci procure une très grande stabilité thermique et une excellente résistance au vieillissement aux silicones. Nous connaissons tous la dégradation des matières plastiques avec le temps, usées par la chaleur (soleil) et l'humidité. Or, cette dégradation agit très peu sur les silicones qui possèdent une inertie chimique exceptionnelle : résistance à l'oxydation, à l'hydrolyse, à l'action des moisissures, des bactéries et des produits organiques, notamment des produits alimentaires. Inutile de dire que cette propriété permet plusieurs applications pratiques diversifiées aux silicones : berlingots de lait, cosmétologie (shampooings, crèmes), etc. Cette inertie chimique permet également aux silicones d'être acceptés par les organismes vivants d'où son utilisation pour la fabrication de prothèses (ex : prothèses mammaires). Les silicones sont également hydrophobes, c’est-à-dire impossible à mouiller, ce qui fait qu'ils sont souvent utilisés comme produits d'entretien, notamment pour le nettoyage des vitres et des surfaces métalliques, ainsi que dans l'imperméabilisation des textiles.

Une autre propriété des silicones, qui est un peu moins évidente que la précédente, est la faible variation des propriétés physiques avec la température. Les chercheurs ont expliqué cette dernière par le fait que l'ensemble Si–O–Si–O du squelette des silicones est souple et malléable, et plus long que celui des liaisons C–C–C–C dans un polymère organique. Ce qui occasionne une rotation des groupements latéraux autour de l'axe. Ces rotations s’effectuent facilement, et ce, à température relativement basse. Ainsi, les huiles de silicones trouvent d'importantes applications dans la lubrification à chaque fois que de sévères conditions de température s'imposent particulièrement dans les domaines de l'aéronautique et de l'automobile. Cette propriété fait également en sorte que les implants mammaires conservent toute leur beauté autant dans l'eau glacée que dans les mers chaudes.

La structure particulière des silicones leur confère également une dernière propriété importante. Ainsi, les silicones sont d'excellents isolants. Inutile de dire que c'est pour cette raison qu'ils sont utilisés dans l'industrie de la construction comme joints d'étanchéité (calfeutrage) et dans le domaine de l'électrotechnique (ex : transformateurs).

Parce que les céramiques de carbure de silicium sont aussi thermomécaniques, elles interviennent dans la construction d'engins spatiaux. Le principe de fabrication de ces fibres est fort simple : «On élabore un polymère organosilicié filable possédant un enchaînement Si–C–Si–C appelé polycarbosilane. Après avoir filé le polymère, on durcit la fibre en établissant un certain nombre de ponts oxygène entre les chaînes par chauffage en milieu oxydant. Ensuite, on pyrolyse (décomposition chimique obtenue par chauffage sans catalyseur) la fibre pour éliminer des atomes de carbone et d'hydrogène (CH₄ et H₂) et obtenir le carbure de silicium. Cependant, celui-ci est souillé d'oxygène et contient de plus du carbone libre». La présence de cet oxygène a des effets néfastes sur les propriétés des fibres au-dessus de 1000° C. Des recherches ont permis le remplacement de l’oxygène par de l’azote pour obtenir du carbonitrure de silicium. Tous ces nouveaux matériaux annoncent de profonds changements technologiques et un bel avenir pour le silicium.

Le domaine de la pharmacie est également très intéressé par les molécules organosiliciées, plus spécifiquement par tout composé doté d’activités biologiques. Ce n'est pas d'hier que l'hypothèse du silicium dans les médicaments est étudiée, après tout, nous sommes entourés de silicium. Les plantes contiennent de grandes quantités de silices ; les organismes, notamment l'organisme humain, sont constitués de silicates et le silice joue un rôle important dans l'homéopathie(système thérapeutique qui consiste à traiter les malades à l’aide d’agents qui détermine une affection analogue à celle qu’on veut combattre). Toutes ces données ont porté les chercheurs à tenter d'utiliser le silicium dans les médicaments. En préparant des sila-médicaments, ils espéraient obtenir des résultats plus efficaces qu'avec les médicaments classiques, car disaient-ils, ils pourraient stabiliser un éventuel manque de silicium dans l'organisme. Évidemment, plusieurs résultats positifs ont été obtenus, entre autres pour des médicaments antiparkinsonniens, antihistaminiques et tranquillisants. Malheureusement, ce procédé est très dispendieux et sa synthèse est souvent délicate, ce qui rend les sila-médicaments jusqu'à présent quasi-inconnus au niveau industriel. De plus, leur différence d'efficacité n'est pas assez importante face aux médicaments classiques pour être lancés sur le marché industriel. Le seul médicament maintenant commercialisé, est celui qui combat la tavelure du pommier, maladie connue par les horticulteurs. Ce médicament et les résultats significatifs des recherches prouvent bien que la découverte des sila-médicaments doive être encore étudiée et non rejetée.

Au tout début de l'univers, notre planète n'était qu'une boule de lave qui, peu à peu, s'est refroidie. Une croûte s'est formée en y conservant certaines composantes et en laissant échapper les plus volatiles qui formèrent dès lors l'atmosphère. Les deux éléments qui nous intéressent plus particulièrement, le carbone et le silicium, demeurèrent dans le sol. A cette période, la terre était bombardée de rayons ultraviolets et de décharges électriques ce qui a permis aux atomes de réagir entre eux pour former des composés qui, en réagissant à leur tour entre eux, en donnèrent d'autres et ainsi de suite. En premier lieu, analysons le cas du carbone pour pouvoir, par la suite, le comparer au silicium.

Selon le Professeur Prigogine, un récipiendaire du prix Nobel, le carbone doit sa «réussite» à sa structure adaptative ce qui signifie que les systèmes formés par le carbone sont capables d'utiliser l'énergie qui leur est offerte pour se «perfectionner» ou, si vous préférez, évoluer. Pour ce faire, ces systèmes ne doivent pas être trop stables, car autrement, ils ne pourraient pas réagir et se perfectionner. Nous savons que le carbone peut se lier avec quatre atomes mais ce qui le rend intéressant ce sont les liaisons carbone–carbone et plus particulièrement les liaisons doubles et triples. Ces dernières s'effectuent en engendrant trois conséquences : tout d'abord, elles donnent de la rigidité à la molécule, ensuite, les électrons qui forment les liaisons multiples (électrons p) peuvent capter l'énergie solaire plus facilement et enfin ces mêmes électrons peuvent parfois se propager dans la molécule. Ce sont donc ces caractéristiques qui ont permis au carbone d'être la structure de base des entités vivantes.

De son côté, le silicium ne se retrouve pratiquement pas dans les êtres vivants, mais il est présent en très grande quantité dans la croûte terrestre. En effet, le hasard a voulu qu'il se transforme pour donner ce qu'on nomme le quartz. Ce composé est dû à la stabilité remarquable de l'atome de silicium lié avec celui d'oxygène. Pourquoi ce lien est-il si stable et non réactif tandis que le lien carbone–oxygène permet la photosynthèse ? La réponse se trouve dans la structure des atomes. Le carbone possède des orbitales s et p et forme quatre liens. Bien que le silicium forme le même nombre de liens, il possède une couche d'orbitales supplémentaire soit la couche d'orbitale d. Puisqu'elle est vide, elle peut facilement recevoir un doublet libre d'un autre atome particulièrement de l'oxygène. Cette petite différence, qui entraîne une grosse conséquence, explique la stabilité du lien silicium–oxygène. Comme l'atmosphère terrestre est riche en oxygène, il est pratiquement impossible de retrouver un lien silicium–silicium car ils vont s'oxyder pour former, le plus souvent, du SiO₂ donc du sable. Inutile de vous dire que ce dernier n'est absolument pas favorable à des réactions comme nous l'avons vu précédemment. Pour ce qui est des liaisons multiples entre silicium–silicium, elles ont été réalisées mais dans des conditions spéciales et avec une technique qui consistait à encombrer les liaisons voisines des liaisons multiples afin d'obtenir une réactivité plus faible. Le silicium ressemble drôlement au carbone mais il ne réussit pas à former des liaisons semblables dans les mêmes conditions. Ceci s'explique par la grosseur des atomes, contrairement au carbone qui ne possède que six électrons, six protons et autant de neutrons, le silicium est composé de quatorze de chacune de ces trois composantes. De plus, comme nous avons déjà mentionné, il a trois couches électroniques au lieu de deux. Son nuage électronique, étant plus grand autour du noyau, favorise les liaisons simples. En effet, les liens doubles sont plus courts donc deux atomes auront plus de difficulté à s'approcher pour se lier.

Un aspect complètement opposé sont les liaisons avec des atomes d'hydrogène. Pendant que le carbone l'utilise pour édifier des alcanes très stables correspondant à l'équation C_nH_2n+2 même si le nombre de carbones dépasse plusieurs millions, le silicium se lie et réalise des silanes (Si_nH_2n+2) très réactifs à l'air ambiant à cause de l'oxygène qui y est présent. Cependant, dans une atmosphère d'azote, ils peuvent être stables mais seulement pour quelques dizaines d'atomes de silicium. Un critère très important pour les chimistes, qui veulent préparer des liaisons multiples silicium–silicium ou des silanes, est la température. Jusqu'à présent, ces réactions ne sont possibles qu'à des températures d'environ -260^oC, ou 10K.

Pour conclure sur la possibilité qu'une autre planète comporte de la vie basée sur le silicium, il est possible d’y croire mais cette planète devrait être à très basse température et dépourvue d’oxygène. Ainsi, il pourrait y avoir une possible forme de vie «silicienne». Bref, si des extraterrestres existent, ils peuvent être constitués de silicium mais seulement si les conditions sur cette planète sont bien différentes d'ici.

En somme, la chimie organique ne s'applique pas seulement au carbone. Le silicium étant de la même famille que le carbone, ils ont théoriquement des propriétés semblables. Or, le silicium possède une couche d'orbitales d où peuvent se loger des doublets libres ce qui explique la stabilité du lien Si–O. Bref, les extraterrestres pourraient être en silicium seulement si les conditions sur cette planète étaient bien différentes. Comme nous avons pu le constater, le silicium organique est présent dans plusieurs champs d'action. L'application la plus répandue de la chimie organosilicique est sans aucun doute les silicones. Ces derniers sont utilisés dans toutes les sphères de la société. Grâce à leurs chaînes Si–O–Si–O, les silicones ont une très grande stabilité thermique ainsi qu'une excellente résistance au vieillissement. Par ailleurs, au cours des dernières décennies, les applications des molécules organosiliciées sont en constante croissance. Les siliciums organiques font leur entrée en force particulièrement dans le domaine de l'automobile et de l'aéronautique avec des nouveaux matériaux thermomécaniques. L'intérêt de ces molécules est également suscité dans le milieu pharmaceutique. Les perspectives d'avenir pour le silicium sont donc très grandes.

DUNOGU, Jacques. «Le silicium organique», Paris, La Recherche, no 199, mai 1988, pp. 596-604.

HEATHCOCK, Clayton et STREITWIESER JR, Andrew. «Introduction to organic chemistry», New York, Macmillan publishing Co, Inc., 1976, pp.989.

HERINO, Roland et VIAL, Jean-Claude. «La luminescence du silicium», Paris, La recherche, no. 259, novembre 1993, pp. 1228-1234.