Le Slime

Un article de scienceamusante.net.

Voici un autre gel que le polyacrylamide mais liquide cette fois-ci. Cette expérience est sûrement la préférée des enfants... Le Slime^® est une matière vraiment étonnante, pour ses propriétés physiques (visqueuses et élastiques) et aussi pour son aspect gélatineux et dégoulinant !

1 Précautions

Outre les précautions en chimie qui sont d'usage, cette expérience comporte les attentions suivantes :

• Le Slime^® n'est pas une matière dangereuse à manipuler avec les mains mais il vaut mieux ne pas en avaler...
• Attention aux brûlures lors de la préparation de la solution à chaud du PVOH.

2 Matériel

• Alcool polyvinylique (PolyVinyl alcool, PVOH ou PVA, masse molaire moyenne : ~100 000 g/mol)
• Tétraborate de sodium décahydraté Na₂B₄O₇,10H₂O aussi appelé borax
• Colorants, paillettes, parfum...
• Baguette en verre
• Agitateur magnétique chauffant et barreau aimanté
• 2 béchers
• 2 bouteilles de 1 L

3 Protocole expérimental

3.1 Préparation des solutions

• Solution de borax à 4% :
  • Mettre 40 g de borax dans une bouteille propre de 1 L, puis compléter avec de l'eau distillée jusqu'à presque 1 L.
  • Agiter pour dissoudre tout le borax, puis compléter la bouteille de 1 L avec de l'eau distillée. (Il se peut que tout le borax ne se dissolve pas, auquel cas la solution est saturée.)
  • Étiqueter correctement la bouteille. La solution peut se conserver plusieurs mois.
• Solution de PVOH à 4% :
  • Celui-ci se dissout très lentement dans l'eau, il faut utiliser 900 mL d'eau distillée chaude et placer la bouteille sur un agitateur magnétique chauffant.
  • Lorsque l'eau est chaude (entre 70 et 80°C) ajouter petit à petit les 40 g de PVOH sous agitation constante et ininterrompue.
  • Continuer à agiter jusqu'à dissolution de la plus grande partie des grumeaux (cela peut demander quelques heures).
  • Compléter ensuite à 1 L avec de l'eau distillée.
  • Étiqueter correctement la bouteille. La solution peut se conserver plusieurs mois dans un endroit frais (réfrigérateur par exemple).

3.2 Fabrication du Slime^®

Solution de borax colorée en rose (par la rhodamine) versée dans la solution de PVOH.

Dès le mélange, formation du Slime^® collant sur la baguette en verre.

• Dans un bécher, verser environ 10 mL de solution de borax et y ajouter éventuellement un colorant de son choix. On peut par exemple colorer avec de la fluorescéine (jaune fluorescent), de la mercurescéine (rouge fluorescent), du bleu de méthylène (bleu) ou de la rhodamine B (rose fluorescent) ou n'importe quel colorant alimentaire (non-toxique) trouvé en magasin.
• Dans un autre bécher, verser environ 100 mL de la solution en PVOH. Éventuellement, ajouter quelques paillettes ou une goutte de parfum (pas plus).
• À l'aide de la baguette en verre, agiter continuellement la solution de PVOH tout en ajoutant la solution de borax colorée.
• Un gel se dépose instantanément sur la baguette en verre. Continuer à homogénéiser en tournant et en écrasant le gel contre les parois du bécher.
• Continuer à mélanger vigoureusement jusqu'à obtention d'une pâte gluante mais non-collante : le Slime^®.
• Sortir le Slime^® du bécher et le pétrir sur une table lisse et propre (surtout pas de nappe en tissu !) jusqu'à homogénéité parfaite.

3.3 Observation des propriétés

• Comportement mécanique du Slime^® :
  • Il casse net lorsqu'on le brusque, mais coule très lentement lorsqu'on le suspend.
  • Il peut s'étirer sur plusieurs mètres sous son propre poids.
  • Deux morceaux de Slime^® peuvent fusionner lorsqu'on les mélange.
  • Posé sur une surface lisse, le Slime^® s'étale en forme de flaque circulaire.
  • Déposé dans un récipient, il en prend lentement la forme.

4 Explications

• Le PVOH en solution peut être comparé à de longs spaghetti microscopiques baignant dans de l'eau. C'est un liquide assez visqueux. Le borax joue le rôle de liaison entre les chaînes de PVOH, comme du gruyère entre les spaghetti. On appelle ceci une réticulation. Les liaisons sont de deux types : des liaisons chimiques solides (liaisons covalentes dessinée en traits pleins) et des liaisons assez souples appelées liaisons hydrogène (dessinées en traits pointillés).

• Le comportement mécanique du Slime^® est particulièrement intéressant. Ce n'est pas un solide car il s'adapte à la forme du récipient dans lequel on le place. C'est donc un liquide très visqueux. Cependant, lorsqu'on tire dessus d'un coup sec il se coupe net, comme un solide, car les liaisons hydrogène ne sont pas très fortes. Cependant une fois cassé on peut le reformer en un seul morceau car la cassure des liaisons hydrogènes est réversible. Lorsqu'on laisse évoluer le Slime^® sous son propre poids ou lorsqu'on l'étire doucement il flue (coule) sans se rompre. Il n'adhère pas aux parois lisses. Par son aspect de gélatine gluante, le Slime^® est sûrement le genre de matière qui plaît le plus aux enfants ! (Voir l'expérience de comparaison de gels liquides et solides.)
• Le Slime^® est rhéoépaississant et thixotrope. On retrouve cette propriété avec un mélange de farine de maïs (maïzéna) et d'eau. Les matières qui, à l'inverse, deviennent plus fluides lorsqu'on les agite sont dites rhéofluidifiantes. Tous ces fluides sont qualifiés aussi de non-newtoniens.
• Cependant, le Slime^® n'est pas élastique au point de rebondir fortement. Pour cela il faut utiliser des chaînes moléculaires bien plus longues. Voir l'expérience de la balle rebondissante.
• Remarque : si la masse molaire moyenne du PVOH n'est pas assez élevée (en dessous de 80 000 g/mol), le Slime^® obtenu ne sera pas bonne qualité. Il est impératif d'utiliser une masse molaire moyenne de PVOH élevée, entre 80 000 et 150 000 g/mol.

5 Vidéo

• Voir la vidéo à l'expérience de comparaison de gels liquides et solides.