Nucléation, croissance et polymorphisme

Nous étudions la cristallisation par trempe thermique de composés très solubles dans l’eau grâce à un système microfluidique développé à cet effet. Nous montrons qu’il permet l’acquisition de données cinétiques et thermodynamiques (solubilité, taux de nucléation, …).

Nous avons développé un montage expérimental qui consiste à former, dans un canal microfluidique, des gouttes d’une solution préalablement préparée contenant un composé organique ou minéral totalement dissout dans l’eau. Les gouttes, formées à une température supérieure à la température de solubilité du soluté, sont convectées vers une zone froide de température inférieure à la température de solubilité. Ainsi la solution est sursaturée et le soluté devient susceptible de cristalliser. Pour parvenir à de tels résultats il est nécessaire de contrôler les températures de la puce microfluidique ainsi que celles de la partie d’injection (seringue et connectique). La température de la puce microfluidique au niveau des microcanaux est mesurée à l’aide de thermocouples directement plantés dans le PDMS. De plus, des calculs d’ordres de grandeur montrent que le liquide circulant dans les canaux se thermalise à la température de la puce sur une distance lc proportionnelle à Ve², avec V la vitesse du liquide et e la hauteur du microcanal. Typiquement, pour un canal de 500 µm de hauteur et une vitesse de 2 mm/s, lc est de l’ordre de la hauteur du canal. Dans de telles conditions, on peut donc considérer qu’en tout point du canal, le liquide est à la température de la puce. La géométrie du canal est dessinée de telle sorte qu’il est possible d’observer plusieurs positions en même temps grâce à une binoculaire. Comme la vitesse V de l’écoulement est constante dans le canal, on a une «lecture» des différents temps T de cristallisation si l’on regarde à différentes distances X, car X = V T. Ceci permet d’observer plusieurs temps de cristallisation sur une seule vue. L’idée est alors de compter, pour différents instants, la probabilité P qu’une goutte ne possède pas de cristaux et de regarder l’évolution de cette probabilité en fonction du temps, de la température, de la vitesse des gouttes, de leur taille,… Avec cette approche, nous pouvons remonter aux propriétés statiques (solubilités) et dynamiques (taux de nucléation) des différents polymorphes lors de leur cristallisation.