3° Le mélange Maïzena et eau
3.1 Présentation de la maïzena et description de l'amidon
La Maïzena est une marque alimentaire d'amidon de maïs, qui se fera rapidement connaître dans le monde entier grâce à son produit phare : la Fleur de Maïs Maïzena®. Créée en 1862 aux USA, elle est seulement fabriquée en 1924 en France (pour le plus grand bonheur des mères françaises). En effet, à l'origine utilisée dans la préparation des biberons, on associa très vite à la marque une grande variété d'usage. Composée d'amidon de maïs (une poudre blanche très fine obtenue par mouture sèche de grains de maïs), elle permet aux cuisinières d'alléger les gâteaux et les crêpes et d'épaissir les sauces, les soupes ou les crèmes. On peut aujourd'hui l'utiliser dans de nombreuses recettes au quotidien (elle convient même au régime sans gluten).
L'amidon est une substance qui fait partie de la famille des sucres complexes produit par les végétaux supérieurs, qui l'utilisent pour stocker des réserves énergétiques. Il peut être extrait des graines de céréale du blé, du maïs (Maïzena) ou du riz. Il se présente sous forme de grains visibles au microscope (photos un peu plus bas). L'amidon est composé de molécules de glucose liées entre elles pour former des polymères. En effet, L'amidon est un polysaccharide, qui est composé de deux molécules: l'amylose, un polymère linéaire de résidus glucose lié et l'amylopectine une structure ramifiée plus abondante que l'amylose (elle représente 70 à 80% de la masse en amidon) dont les proportions sont variables selon les espèces. Il présente une formule générale C6H10O5. La fabrication de l'amidon se fait dans une amidonnerie.
3.2 Analyse macroscopique du mélange
Pour expérimenter ce fluide nous avons choisi de travailler à l'échelle macroscopique avec le mélange maïzena et eau.
Dans un premier temps, l'objectif de notre expérience était de créer le phénomène exprimé précédemment et ainsi voir pour quelle proportion d'eau et d'amidon de maïs le fluide change de viscosité selon la force qu'on exerce sur lui.
Matériel :
-une barquette en aluminium
-une spatule
-une balance
-une éprouvette graduée de 100mL
-de l'amidon de maïs (maïzena)
-de l'eau
-un marteau
Protocole :
Mesurer et verser à l'aide d'une éprouvette graduée 100 mL d'eau dans une barquette en aluminium, puis ajouter 50 g de maïzena (préalablement mesurée à l'aide d'une balance). Mélanger le tout à l'aide d'une spatule. Réitérer cette manipulation plusieurs fois en rajoutant 25g de maïzena à chaque fois et en testant la viscosité du fluide avec un marteau.
Test de la viscosité du fluide :
Résultats :
Pour nous aider à trouver la bonne proportion d'eau et d'amidon de maïs dans le but obtenir ce phénomène, nous avons réalisé un tableau en indiquant la quantité de maïzena et d'eau et en faisant apparaître la viscosité avec et sans contrainte de ce mélange.
Le phénomène du fluide rhéoépaississant se produit à partir de 100 g de maïzena. Cependant il est encore trop liquide. Nous avons donc modifié nos proportions en rajoutant 25 g de maïzena, ce qui nous a permis d'obtenir une viscosité plus adaptée à nos attentes.
Conclusion :
Cette expérience nous a permis d'en tirer des conclusions :
Premièrement, le phénomène du fluide rhéoépaississant a été démontré. En effet, nous pouvons voir (grâce aux vidéos ci-dessus) que ce fluide change de viscosité (d'aspect), suivant la force qu'on exerce sur lui. Nous avons également remarqué que, plus la concentration en maïzena est élevée, plus le liquide devient visqueux/solide (avec ou sans contrainte). Ainsi, à partir de notre expérience et du tableau, nous avons donc cherché la concentration de maïzena idéale en vue de créer ce phénomène pour qu'il soit liquide sans contrainte et solide avec contrainte. Nous avons trouvé un juste milieu pour 125 g de maïzena mélangé aux 100 ml d'eau. A l'aide de la formule de la concentration massique: Cm = m/V ,nous avons calculé la concentration d'amidon de maïs idéale, qui serait donc de 1,25 g/mL (soit 1250 g de maïzena pour 1 L d'eau).
3.3 Sa viscosité
La propriété majeure des fluides non-newtoniens et plus précisément des fluides rhéoépaississants est leur variation de viscosité en fonction de la contrainte exercée. Grâce à notre première expérience nous avons pu remarquer ce phénomène en tapant sur le fluide avec un marteau à des forces différentes (doucement et fort). Cependant, la force que nous exercions n'était pas précise. Précédemment nous avons évoqué vaguement le terme de « viscosité ». Nous allons à présent définir ce terme avec plus de précision et ainsi essayer de voir comment nous pouvons calculer la viscosité du mélange maïzena et eau.
Tout d'abord, la viscosité est l'état de ce qui est visqueux, plus précisément, c'est l'état d'un liquide plus ou moins épais et sirupeux, dû au frottement réciproque des molécules et qui s'oppose à leur écoulement (capacité à s'écouler plus ou moins facilement). Plus simplement, c'est la résistance que ce liquide oppose à l'écoulement.
Exemple : L'eau, l'huile, le miel coulent différemment : l'eau et l'huile coulent vite, le miel coule lentement, mais de façon bien régulière.
Pour les fluides rhéoépaississants :
Graphique réalisé à partir d'un fluide rhéoépaississant, représentant la contrainte de cisaillement T (force exercée) en fonction de la vitesse de cisaillement (vitesse d'écoulement ).
Pour mesurer la vitesse d'écoulement du fluide on utilise un viscosimètre. Par manque de temps et de matériel nous n'avons pu réaliser cette expérience.
3.4 Analyse microscopique du mélange
Pour en connaître un peu plus sur la combinaison maïzena et eau, nous avons analysé au microscope notre mélange.
Au départ, personne n'a su nous décrire le résultat, puis, après quelques recherches sur internet, les observations faites se sont avérées être des suspensions colloïdales (voir les photos ci-dessus). La maïzena mélangée à l'eau prend alors le rôle de colloïdes.
Nous en avons déduit que ces colloïdes sont responsables du changement de viscosité du fluide rhéoépaississant. Nous savons que lorsque l'eau est liquide, les molécules d'eau bougent en permanence mais lorsque l'eau se solidifie, les molécules s'ordonnent de la façon la plus stable possible et forment alors un bloc (voir image ci-dessous). Nous en avons donc déduit que le fonctionnement était le même pour le mélange maïzena et eau.
Lors de l'analyse microscopique, nous voyons des particules entourées d'une sorte d'enveloppe. Lorsque le fluide est soumis à une force, ces particules se resserrent pour ne plus laisser d'eau entre elles.
Notre déduction fut la suivante : l'eau et les colloïdes sont superposés. Sans contrainte exercée, le principe est le même qu'avec l'eau : ces deux molécules "cohabitent" ensemble et sont en perpétuel mouvement, donnant un mélange liquide. Cependant, lorsqu'un impact vient bouleverser cet équilibre, l'amidon et l'eau se séparent. Les colloïdes seront donc à l'écart de l'eau, serrés entre eux, dans une position de stabilité. Lorsque ce choc se produit, le mélange devient très visqueux car les espèces chimiques sont en contact les unes aux autres, comme pour l'eau à l'état solide. Puis, une fois que l'impact est passé, les molécules d'eau et de maïs se rejoignent (retrouvant alors leur état initial).
Seulement, ce n'est qu'une hypothèse, c'est pour cela que nous nous sommes ensuite intéressés à l'échelle moléculaire du mélange. La formule brute de l'amidon est C6H10O5 et celle de l'eau H2O. A partir de là, nous avons émis l'hypothèse d'une possible liaison polarisée HO entre l'amidon et l'eau. En effet, nous savons que l'oxygène est plus électronégatif que l'hydrogène, et donc que les deux molécules sont polaires. En nous documentant, nous avons pu vérifier cette hypothèse.
Au repos, le mélange forme des liaisons polarisées HO, entre l'oxygène et l'hydrogène (puisque l'amidon comme l'eau contiennent tous les deux ces espèces chimiques). Elles sont donc reliées les unes aux autres, donnant un mélange liquide, car les espèces chimiques sont en mouvement constant (comme pour l'eau liquide).
Cependant, lors d'un impact, ces liaisons se brisent, provoquant donc une séparation entre l'eau et l'amidon, ce qui conduit les molécules d'amidon à se mettre en contact les unes avec les autres autour d'une position d'équilibre. Enfin, le fluide rhéoépaississant retrouve son état initial à la fin de la collision car les liaisons polarisées se reforment redonnant alors un mélange liquide.