5.5 Transition du premier ordre : fusion du cyclohexane
5.5.4 Conclusions sur les mesures de calorim´etrie AC sur le cyclohexane
Les mesures de calorim´etrie AC en temp´erature r´ealis´ees sur 3 L de cyclohexane ont permis de distinguer deux ´etapes de la fusion :
– la premi`ere est rapide et r´eversible, probablement observ´ee en totalit´e au cours de nos mesures de calorim´etrie AC ;
– la seconde traduit une non-r´eversibilit´e de la transformation. Le processus de solidification requiert la formation d’un germe, et ce ph´enom`ene a sa cin´etique propre, ´eventuellement limitante, et ´eventuellement plus lente que l’oscillation excitatrice. Dans ce cas le chan-gement de phase n’est plus observable sur le temps d’une oscillation. Cette phase se ca-ract´erise par une tr`es forte signature sur la phase du signal.
Les mesures r´ealis´ees en mode isotherme mettent en ´evidence que le temps de mise `a l’´equilibre du syst`eme varie consid´erablement selon que le cyclohexane est ou non dans sa zone de tran-sition. Dans ce dernier cas il est r´egi `a la fois par la cin´etique de transition et par la mauvaise diffusion de la chaleur entre les diff´erentes phases.
On observe donc les mˆemes ph´enom`enes en mode isotherme que lors des exp´eriences `a temp´erature variable :
– l’imposition d’une rampe de temp´erature modifie au cours du temps les caract´eristiques cin´etiques du syst`eme, et favorise `a moyen terme l’une ou l’autre des phases ;
– `a temp´erature moyenne constante le temps moyen de germination est fix´e — quel que soit le m´ecanisme qui le r´egit — et le syst`eme peut ´evoluer vers son ´equilibre ; les mesures montrent que cela peut demander un temps important — de l’ordre de l’heure dans la pr´esente mesure —.
Puisque la mise `a l’´equilibre en isotherme demande un temps si important, on peut en d´eduire que lors d’une rampe de temp´erature, le syst`eme dans la zone de transition n’est ja-mais `a l’´equilibre thermodynamique. Le signal important mesur´e sur la phase lors de la rampe de temp´erature confirme la coh´erence de cette hypoth`ese de fonctionnement.
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CONCLUSIONS ET PERSPECTIVES
La pr´esente ´etude a permis la conception et la r´ealisation d’un microcalorim`etre, bas´e sur la technique d’oscillation de temp´erature — dite m´ethode AC — et destin´e `a l’´etude de tr`es petits ´echantillons. Bas´e sur l’utilisation des techniques de microfabrication, le capteur permet
de contenir de fac¸on ´etanche un volume de 5
de liquide. La chaˆıne de mesure et le syst`eme de traitement de donn´ees autorisent la mesure de la capacit´e calorifique avec une tr`es grande
r´esolution — 10 en relatif —.
Ce microcalorim`etre permet de travailler sur une gamme de fr´equence de quasiment deux d´ecades — entre 0,05 et 5 Hz —, et permet d’´etudier aussi bien des solides que des liquides. Il a ´et´e ici utilis´e pour ´etudier plusieurs types d’´echantillons : un polym`ere, une prot´eine et un liquide or-ganique.
Les zones cristallis´ees du polyt´etrafluoro´ethyl`ene subissent deux transitions autour de l’am-biante, et les temps mis en jeu lors de ces transformations sont, `a cause de la taille des mol´ecules et des processus `a l’oeuvre, beaucoup plus longs que lors de transitions mettant en jeu de pe-tites mol´ecules. La comparaison de mesures en calorim´etrie diff´erentielle `a balayage et en ca-lorim´etrie AC a montr´e que pour l’une des deux transitions les deux techniques permettaient la mˆeme observation, tandis que l’autre donne des signatures tr`es diff´erentes selon la technique utilis´ee.
Grˆace au dispositif calorim´etrique que nous avons d´evelopp´e, nous avons pu ´etudier l’´evolution de la r´eponse du syst`eme avec la fr´equence d’excitation sur deux d´ecades, ce qui est consid´erable compte tenu des difficult´es exp´erimentales inh´erentes aux mesures thermiques. Une cin´etique globale de r´eponse du syst`eme a ainsi pu ˆetre observ´ee.
La technique de calorim´etrie AC permet ici de r´ealiser de la spectroscopie thermique, c’est-`a-dire de sonder les temps qui caract´erisent le comportement d’un syst`eme en r´eponse `a une modification de son environnement et de ses conditions d’´equilibre.
Travailler sur ce syst`eme solide de 5
, qui pr´esente des transformations exhibant une telle cin´etique, constitue en quelque sorte un cas d’´ecole pour mettre en ´evidence les potentialit´es de la m´ethode AC pour la spectroscopie thermique.
Par ailleurs la d´enaturation par la chaleur d’une quantit´e de 25 d’alpha-lactalbumine a pu
ˆetre observ´ee. Cette prot´eine du lait fixe l’ion Ca
, mais on peut substituer `a cet ion l’ion Sr
, afin d’´etudier l’effet d’un changement d’encombrement st´erique de l’ion sur la structure de la prot´eine et sa stabilit´e.
Plusieurs caract´eristiques ont ´et´e mises en ´evidence :
– la d´enaturation de la prot´eine donne lieu `a des signatures de mˆeme type en pr´esence de l’un ou l’autre des ions, abaiss´ee de quelques degr´es dans le cas du strontium. Cette mesure
confirme que la structure est d´estabilis´ee lorsque Sr
est remplac´e par Ca
sur le site de fixation de la prot´eine, mais que sa structure d’ensemble est relativement conserv´ee ; – cette d´enaturation est en grande partie r´eversible dans nos conditions exp´erimentales, en
pr´esence de l’un ou l’autre des ions, apr`es une mont´ee `a 85 C ;
– en calorim´etrie AC `a 1,7 Hz, la fraction observable de l’enthalpie de d´enaturation est de
l’ordre de 10 `a 20 . Une partie au moins du processus de d´enaturation est r´eversible et
rapide `a l’´echelle d’une oscillation.
Cette derni`ere propri´et´e fait de la prot´eine un bon candidat pour une future ´etude en fr´equence.
Le calorim`etre a aussi permis l’´etude d’un changement de phase sur 3
de cyclohexane. Bien que non-id´eale, le changement de phase liquide-solide pr´esente un caract`ere irr´eversible. Si la fusion se produit toujours `a la mˆeme temp´erature, la solidification requiert la nucl´eation d’un cristal dans le liquide. Ce ph´enom`ene, quels que soient les ph´enom`enes qui le r´egissent, poss`ede sa propre cin´etique.
Les mesures de calorim´etrie AC ont permis de distinguer deux ´etapes dans le changement de phase du cyclohexane :
– la premi`ere ´etape rencontr´ee lorsque l’on chauffe le cyclohexane solide est r´eversible et rapide ;
– la seconde ´etape commence `a partir du moment o`u la temp´erature permet au germe de solide de disparaˆıtre de l’´echantillon au cours d’une oscillation de temp´erature. Alors la r´eapparition de ce germe fait intervenir une cin´etique qui limite et retarde la r´eponse du syst`eme `a l’excitation oscillante. En calorim´etrie AC, la signature mesur´ee est ca-ract´eristique d’une transformation fortement irr´eversible.
Cette ´etape irr´eversible est observable aussi bien au cours d’une rampe de temp´erature qu’`a temp´erature moyenne constante.
Ces trois types de mesure donnent un ´eclairage important sur les potentialit´es de la m´ethode AC pour l’´etude de diff´erents types de transformations. Un ph´enom`ene rapide et r´eversible `a l’´echelle de l’oscillation est observ´e en totalit´e par notre calorim`etre, c’est-`a-dire que l’on acc`ede aux
va-175 riations de capacit´e calorifique comme aux enthalpies de transformation.
Dans le cas d’une transformation tr`es lente ou totalement irr´eversible, la calorim´etrie AC ne permet d’atteindre que les variations de capacit´e calorifique, `a l’exclusion de toute enthalpie de transformation.
Enfin, dans les cas interm´ediaires — lorsque la transformation est r´eversible et que sa cin´etique n’est pas infiniment lente devant la p´eriode d’excitation — , le ph´enom`ene est partiellement visible. Faire varier la fr´equence d’excitation permet de faire ´evoluer la fraction observable de l’enthalpie.
L’int´erˆet de cette approche pour l’´etude de ce type de ph´enom`enes a ´et´e abord´ee par mod ´elisation d’un syst`eme simple.
Exp´erimentalement, et moyennant une certaine connaissance des m´ecanismes mis en oeuvre, l’´etude par microcalorim´etrie AC permet de d´eduire des informations sur la cin´etique des trans-formations ´etudi´ees, dans une gamme de fr´equence adapt´ee aux temps mis en jeu dans les ma-cromol´ecules.
Ce dispositif peut donc ˆetre mis `a profit pour un grand nombre d’´etudes, parmi lesquelles on peut proposer :
– l’´etude de la transition vitreuse et l’´evolution de la zone de transition observ´ee avec la fr´equence d’observation ;
– l’´etude de la r´eponse observ´ee `a la d´enaturation thermique d’une petite prot´eine — comme l’alpha-lactalbumine — dont la d´enaturation est r´eversible ;
– l’´etude sur des prot´eines de plus grande taille, pour les lesquelles ce ph´enom`ene est plus difficilement r´eversible ;
– l’´etude de ph´enom`enes tels que la nucl´eation ; . . .
En outre les avanc´ees technologiques r´ealis´ees pour cette ´etude, en mati`ere de porte-´echantillon — ´etanch´eit´e, micro-quantit´es, utilisation de membranes suspendues — ont d´ebouch´e sur la conception d’autres microcalorim`etres. Bas´es entre autres sur la m´ethode AC, et ax´es sur l’´etude de petits volumes avec une tr`es grande r´esolution, ils visent `a faciliter l’acc`es aux mesures ther-modynamiques dans le domaine des Sciences de la Vie.
ANNEXE
A.1 Propri´et´es thermiques compar´ees de divers mat´eriaux `a 300
´e ´e ´e ´e " " 22 " " 22 " " " 22 " 177