MESURE DES TEMPÉRATURES SUPERFICIELLES A L'AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES

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Submitted on 1 Jan 1969

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MESURE DES TEMPÉRATURES SUPERFICIELLES A L’AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES

M. Magne, P. Pinard

To cite this version:

M. Magne, P. Pinard. MESURE DES TEMPÉRATURES SUPERFICIELLES A L’AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES. Journal de Physique Colloques, 1969, 30 (C4), pp.C4-117-C4-121.

�10.1051/jphyscol:1969428�. �jpa-00213730�

JOURNAL DE PHYSIQUE Colloque C 4, supplément au no 11-12, Tome 30, Nov.-Déc. 1969, page C 4

-

¹¹⁷

MESURE DES TEMPÉRATURE s SUPERFICIELLES A L'AIDE DE CRISTAUX LIQUIDES

M. MAGNE et P. PINARD Laboratoire de Physique de la Matière Institut National des Sciences Appliquées de Lyon

Résumé.

-

Nous avons mis au point une série de mélanges binaires (Pélargonate-Propionate) et ternaires (Pélargonate-Propionate-Oléate) de substances cholestériques qui, éclairés en lumière blanche, réfléchissent, dans une gamme de températures comprises entre O et 80 ^{O C} environ, une lumière presque monochromatique variant de l'infrarouge ^à l'ultraviolet sur un très faible intervalle de température (1 à 3 ^{O C ) .} Ces composés permettent donc de mesurer des températures superficielles et de visualiser de très faibles gradients thermiques.

Summary.

-

We have studied a set of binary (Pelargonate-Propionate) and ternary (Pelargo- nate-Propionate-Oleate) mixtures of cholesterol substances. When irradiated by sunlight, these ones reflect, in a temperature range from O OC up to about 80 OC, a nearly monochromatic light extending from infrared to ultraviolet for a very small difference of temperature (1 to 3 O C ) . We discuss the use of these compounds for measuring surfaces temperatures and for making visible very low temperature gradients.

Introduction. - L'énoncé des propriétés des corps sur un intervalle de températures très faible, pouvant à phase cholestérique [1] [2] permet d'envisager leur être inférieur au degré Celsius, et cela dans une gamme utilisation comme détecteurs thermiques : en effet, de températures comprises entre O et 80 OC environ.

éclairées en lumière blanche, ces substances réfléchis-

sent une lumière polarisée circulairement, grossiè- 1. Dispositif expérimental. - Le dispositif expé- rement monochromatique, et présentant un maximum rimentai que nous avons construit ( ~ i ~ . 1) permet de d'intensité pour une certaine longueur d'onde A,. mesurer la longueur d'onde

A,,

ainsi que le spectre Celle-ci dépend principalement de 3 facteurs : réfléchi, en fonction de la température T et des angles

B. et B-.

- l'angle Bi que fait la direction de la lumière incidente avec la normale à la préparation,

- i'angle 8, que fait la direction d'observation avec la normale à la préparation,

- la température T (en particulier, nous avons toujours observé un déplacement de Â, vers les grandes longueurs d'onde lorsque la température décroît).

Il résulte, de ce qui précède, que l'analyse de la

« couleur réfléchie » permettra, en connaissant les courbes d'étalonnage A, = f (T), de déterminer la température de la surface sur laquelle on aura déposé la substance.

Nous avons tout d'abord étudié le comportement de différents corps purs à phase cholestérique. Les résultats obtenus nous ont ameqés, par la suite, $ envisager 1'6tude de mélanges de corps cholestériqii~s dont l'intérêt principal réside dans le fait que la c o l p ration

réflecbie

varie de l'ultraviolet à l'infrarouge

- 1 - - - r -

Cet appareillage comprend les éléments suivants : -une source de lumière blanche (1) (lampe à filament de tungstène),

- un système de focalisation (2) (9) et de polarisa- tion (3) (7) de la lumière incidente et réfléchie,

- un porte-objet (5) (dont la rotation indépendante de celle de la source lumineuse est assurée automatique- ment) sur lequel on dépose la préparation cristal- liquide (6),

- un monochromateur Hilger et Watts, type D 330,

- un photomultiplicateur Radiotechnique XP 1002 adapté à la mesure de faibles flux lumineux,

- une chaîne d'amplification de lumière réfléchie modulée à 100 Hz

(9,

- divers appareils de mesure pour l'enregistrement de la température et du domaine spectral réfléchi,

- u n dispositif de synchranisation de toutes les mqsures.

Article published online by EDP Sciences and available at http://dx.doi.org/10.1051/jphyscol:1969428

M. MAGNE ET P. PINARD

Alimentat ion

-

I obturateur Sv nchionisation

Commande rotation du Alimentation

stabrltsee

mplificatew Monochromatait -

ednnrur P M

.-

silrct i f

hoto cathode refroidiwrmrnt

C

FE. 1. - Dispositif expérimental

On peut alors, suivant la sensibilité S = AI,/AT de la substance,

soit maintenir la température T constante et enregistrer le spectre réfléchi,

soit maintenir A constant et déterminer la tempé- rature pour laquelle l'intensité lumineuse réfléchie devient maximum.

Ainsi, dans les deux cas, il est possible de mesurer le couple A, - T pour diverses valeurs de Bi et de O,.

II. Résultats expérimentaux. - 1 . ETUDE ^{DE CORPS}

PURS A PHASE CHOLESTÉRIQUE. -NOUS aVOnS tout d'abord vérifié que l'épaisseur de la préparation n'influe pas sur les caractéristiques de la lumière réfléchie et que l'intensité de cette dernière est directe- ment proportionnelle à l'intensité lumineuse incidente.

Parmi les corps à phase cholestérique stable, le Pélargonate de Cholestérol présente, ainsi qu'on peut le voir sur la figure 2, un brusque changement de coloration, du violet au rouge, sur un intervalle de température de 1,5 OC environ.

2 II 80 85 90 Y T OC

FIG. 2. - Pélargonate de Cholestérol

MESURE DES TEMPÉRATURES SUPERFICIELLES A L'AIDE D E CRISTAUX C 4 - 119

Une telle observation permet donc d'entrevoir l'emploi du Pélargonate de Cholestérol à la mise en évidence, entre 74 OC et 75 O C environ, de gradients thermiques de l'ordre de quelques 1/10 OC.

2. ETUDE DE MÉLANGES DE CORPS A PHASE CHOLES- TÉRIQUE. - NOUS avons ensuite cherché à obtenir des résultats identiques pour d'autres températures et sur une gamme de températures aussi étendue que possible.

L'étude de différents mélanges binaires à forte

concentration de Pélargonate montre qu'il est effecti- vement possible d'abaisser la température du point de transformation mésomorphique aux dépens toutefois de la sensibilité. La figure 3 illustre les résultats obtenus dans le cas des mélanges Pélargonate-Propionate (x

%>-

Il faut noter que, parmi les différents mélanges binaires étudiés : Pélargonate-Chlorure, Pélargonate- Acétate, Pélargonate-Benzoate et Pélargonate-Pro- pionate, ce sont ces derniers qui possèdent la phase mésomorphe la plus stable.

FIG. 3. - Mélanges Pélargonate-Propionate ( x %)

Afin d'accroître la sensibilité des mélanges binaires A" désignant le mélange binaire Pélargonate- Pélargonate-Propionate (x

%)

au-dessous de 50 OC, Propionate à raison de x

%

de Propionate,

nous avons réalisé divers mélanges ternaires et en B désignant I'Oléate de Cholestérol en proportion particulier les mélanges Pélargonate-Propionate-Oléate de y

%

dans le mélange global.

que nous représenterons pour plus de commodité par L'étude de l'influence respective des concentrations

Ax.By : x % et y

%,

dont les résultats sont résumés sur la

C 4 - 120 M. MAGNE ET P. PINARD

figure 4, montre qu'en conjuguant les actions opposées sensibles (l'intervalle de température entre la colora- de l'Oléate et du Propionate de Cholestérol, il est tion violette et la coloration rouge pouvant être infé- possible d'obtenir toute une gamme de mélanges très rieur au degré Celsius) entre O ^{O C} et 80 06 environ.

3. ETUDE DE LA RÉFLEXION OPTIQUE DES COMPOSES

CHOLESTÉRIQUES. - Les résultats obtenus par De Vries [3] permettent de considérer le milieu cholesté- rique comme un milieu stratifié, formé de strates parallèles équidistantes de p/2, p désignant le pas du milieu hélicoïdal cholestérique.

La loi de réflexion optique qui s'apparente à une loi de Bragg (réflexion sur des plans parallèles) s'écrit alors, lorsque Oi = O , :

&(O) = p n .cos

[

^{Arc sin}

(sin

^{- O ) ] (1)}

n désignant l'indice optique moyen du milieu.

La figure 5 montre une des nombreuses mesures que nous avons effectuées, à partir de laquelle on peut conclure à la validité de l'expression (1).

Cependant, l'intensité lumineuse, pour Oi i. O,, reste notable et il faut alors considérer le milieu cholestérique comme constitué d'un grand nombre de domaines feuilletés répartis au hasard, d'orientation quelconque par rapport à la surface, avec prédomi-

nance toutefois pour le parallélisme à cette dernière. FIG. 5

MESURE DES TEMPÉRATURES SUPERFICIELLES A L'AIDE D E CRISTAUX C 4 - 121

L'expression (1) devient plus généralement 1

[ ^. (""ni)

⁺

&(Oi, 8,) = pn

.

^{cos -} ₂ ^{Arc sin -}

sin 8,

+

^{~ r c sin}

(n-)]

⁽²⁾

Les différents résultats que nous avons obtenus [4]

vérifient de façon très acceptable cette expression.

D'autre part, l'influence d'un champ électrique, qui oriente chaque petit domaine, se traduit par une modification de la répartition dans l'espace de l'inten- sité lumineuse réfléchie (accroissement de l'intensité réfléchie si Bi = O,, réduction lorsque Bi ^$; 8,) et vient donc justifier la présence des « domaines feuilletés » constituant le milieu cholestérique.

III. Applications des cristaux liquides cholestériques.

- A l'énoncé des propriétés des cristaux liquides cholestériques, on voit immédiatement l'intérêt offert par ces substances pour résoudre les problèmes délicats de détermination de température de surface.

Mais certains composés présentent, en outre, l'avantage de permettre, par visualisation directe, le repérage de faibles gradients thermiques existant en surface qui peuvent être dus à des causes aussi variées qu'il est possible de l'imaginer. Nous avons, pour cela, envisagé quelques possibilités d'applications 141 telles que la détection de faisceaux laser, le contrôle et la mesure de température de composants électroniques,

la mise en évidence d'isothermes et l'étude de leur évolution dans le temps, etc

...

Conclusion. - L'étude de plusieurs corps purs à phase cholestérique (en particulier le Pélargonate de Cholestérol) nous a montré l'intérêt que pouvaient présenter ces substances pour la mesure des tempé- ratures superficielles. Nous avons alors cherché à obtenir des résultats analogues, sur une gamme de températures aussi étendue que possible, en réalisant des mélanges binaires puis des mélanges ternaires de corps cholestériques.

De mise en œuvre très simple, ces composés per- mettent, par suite de leur inertie thermique pratique- ment nulle, d'obtenir à chaque instant une image

« thermique » de la surface sur laquelle ils sont dépo- sés. De plus, grâce à une sensibilité thermique très importante (plusieurs milliers d'Angstroms par degré Celsius), ils constituent une technique séduisante pour mettre en évidence de très faibles gradients thermiques (quelques 1/100C) et sont appelés à résoudre de nombreux problèmes dans des domaines aussi variés que la médecine, l'aéronautique, l'électro- nique, o u les contrôles non destructifs.

Bibliographie

[l] FRIEDEL (G.), Ann Physique, 1922, 18, 273.

[2] FERGASON (J. L.), Scientific American, 1964, 211, 77.

[3] DE VRIES (H. L.), Acta Cryst., 1951, 4, 219.

[4] MAGNE (M.), Thèse, Lyon, Mars 1969.