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Accueil > Science pour tous > 2019 - Année internationale du tableau périodique des éléments > Archives des éléments présentés

Fer

Le fer est le quatrième élément par ordre d’importance dans la croûte terrestre. On le trouve sous la forme de minerai : principalement magnétite (Fe3O4) ou hématite (Fe2O3).
Sous sa forme métallique, le fer est gris, malléable et ductile. Il est ferromagnétique, c’est-à-dire qu’il peut former un aimant permanent ou être attiré par d’autres aimants. Le fer est le métal le plus couramment utilisé.

Mais lorsqu’il est exposé à l’air et en présence d’humidité, il est soumis à la corrosion : le fer rouille ! La rouille est la substance de couleur brun-rouge formée quand le fer se corrode. C’est une réaction d’oxydation lente qui aboutit à la formation d’oxydes ou d’hydroxydes plus ou moins hydratés et mal cristallisés, dont le plus stable est l’hématite.

A gauche pièce en fer intacte, à droite pièce en fer rouillée - Crédit photo : Institut UTINAM

Étymologie  : vient du latin « ferrum ».

Origine  : Le fer présent dans l’Univers est formé en partie (36%) lors de l’explosion des étoiles massives (plus de 8 fois la masse du Soleil) en fin de vie, appelée supernova de type II. Mais la majeure partie (environ 64%) est formée lors d’explosions de supernova de type Ia, c’est à dire l’explosion d’une naine blanche dans un système binaire, rendue instable par l’accrétion de matière provenant d’un compagnon au stade géante rouge.

Historique  : Cuivre, bronze (alliage de cuivre et étain), fer, fonte, acier : la chronologie du travail des métaux est liée à leur maitrise progressive par l’homme.
Ainsi, l’écart de température de fusion entre le cuivre (1080°C) et le fer (1535°C) justifie leur ordre d’entrée en scène. L’âge du fer (vers 1700 avant JC en Europe) est la période chronologique qui correspond à l’usage métallurgique du fer, faisant suite à l’âge du bronze.
Puis, à partir du XVème siècle, l’apparition des « hauts fourneaux » a permis de produire la fonte (alliage fer/carbone de 2 à 6%).
Et enfin, en 1786, Berthollet, Monge et Vaudermonde, 3 savants français, établirent les conditions d’élaboration de l’acier (alliage fer/carbone à 2% maximum). Toutefois, il fallut attendre le XIXème siècle pour que l’acier connaisse un développement spectaculaire qui l’imposera comme métal-roi de la révolution industrielle.

Le fer dans la vie courante : le fer est partout !
Nous avons déjà indiqué que le fer rentrait dans la fabrication des aciers qui sont des matériaux couramment utilisés dans notre quotidien. Mais il est également impliqué dans des fonctions majeures du corps humain. Les deux principales fonctions sont le transport de l’oxygène dans le sang et le stockage de l’oxygène dans le muscle :
Le fer est un composant de l’hémoglobine, une protéine présente dans les globules rouges du sang. Cette protéine permet de transporter l’oxygène des poumons vers tous les autres organes. Sans fer, le corps humain ne peut plus former d’hémoglobine et n’est donc plus capable d’assurer cette fonction de transport vitale.
Le fer rentre aussi dans la composition d’une autre protéine : la myoglobine. Elle est responsable du stockage de l’oxygène dans les muscles. Ce stockage permet aux muscles d’être oxygénés au cours d’une activité physique prolongée.

Molécule d’hémoglobine - Crédit photo : Fermi, G., Perutz, M.F- CC BY 3.0

Le fer à l’Institut UTINAM  : nanoparticules d’oxyde de fer
Au sein de l’institut UTINAM, on développe des nanofleurs de maghémite ( γFe2O3) possédant des propriétés magnétiques. Ces propriétés magnétiques, ajoutées à la taille de ces nanoobjets à la fois bien plus faible que celle des cellules et de l’ordre de grandeur des molécules biologiques, sont à l’origine d’une grande diversité d’applications dans le domaine biomédical.
En raison de leurs propriétés, ils répondent à l’émergence d’un nouveau paradigme, celui de la thérapie ciblée guidée par imagerie. Ce concept repose sur l’accumulation spécifique de nanoparticules non toxiques dans une zone d’intérêt (typiquement, une tumeur) et devenant toxiques sous l’effet d’un stimulus physique ou chimique. Leurs propriétés magnétiques permettent de concevoir des objets qui se comportent à la fois comme :

  • Agents de contraste en Imagerie à Résonnance Magnétique (IRM)
  • Agents chauffants en hyperthermie magnétique
  • Vecteurs (avec un ciblage magnétique ou par fonctionnalisation de surface)