Calorimétrie différentielle à balayage (DSC)

Une part importante de l’activité de recherche du Département des matériaux Organiques est centrée autour de l’étude des états mésomorphes de la matière, qui se déclinent entre les solides cristallins et les liquides isotropes classiques. Face à l’émergence des structures moléculaires de plus en plus complexes et de la diversité toujours croissante des arrangements supramoléculaires, la différentiation des mésophases n’est plus aussi triviale de nos jours. La microscopie en lumière polarisée, qui consiste en l’analyse des textures de défauts, dont l’apparence est liée aux particularités des structures, a depuis longtemps montré ses limites, même pour le simple repérage des transitions par changement de texture.

Chaque transition de phase est au contraire associée à un signal visible en DSC (acronyme de « Differential Scanning Calorimetry », qui signifie calorimétrie différentielle à balayage). Le principe de cette méthode d’analyse thermique consiste à déterminer la variation de chaleur spécifique ∆Cp d’un échantillon en fonction de sa température, qui est modifiée selon une certaine rampe. Il existe différentes variantes de fonctionnement qui reproduisent avec plus ou moins de justesse et de précision la variation de ∆Cp. Notre instrument est une DSC Q1000 (TA Instruments), qui extrait le signal de la comparaison de flux de chaleur. Plus précisément, les différences de température, entre un échantillon, une référence vide et le four les contenant, sont mesurées en fonction du temps et converties en flux de chaleur traversant des résistances thermiques calibrées.

Dans les thermogrammes, les transitions de phase du premier ordre se traduisent par un pic dont l’intégration équivaut à la variation d’enthalpie ∆H. Cette valeur donne une idée de l’ampleur des changements structuraux : elle est typiquement de quelques J/g pour les transitions entre mésophases et vers les liquides classiques, soit près de deux ordres de
grandeur en-deçà de celle observée à la fusion d’une phase cristalline. La valeur de ∆H est même nulle pour certaines transitions de phases, comme la transition smectique A – smectique C qui est généralement de second ordre et donne lieu à une anomalie de chaleur spécifique conduisant à un signal caractéristique en forme de lambda (voir ci-dessous). Cette transition, ainsi que la transition vitreuse qui se rencontre dans les mésophases au même titre que dans les liquides classiques, sont particulièrement bien visibles dans le mode modulé de l’instrument.

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