Diffusion de la lumière aux petits angles (SALS)

Si la lumière passe à travers un milieu, une réduction de l'intensité de la lumière peut généralement être observée. La lumière est partiellement réfléchie à la surface du milieu, et la lumière résiduelle interagit soit avec le milieu, soit la traverse. Les interactions des photons de la lumière laser avec des particules peuvent conduire à une diffusion élastique. La lumière est déviée de son chemin original, et elle quitte le milieu dans une direction différente, sans transfert d'énergie. Les fluctuations de densité et d'orientation au sein d'un échantillon, moyennées sur tout le volume de diffusion, peuvent être bien surveillées par le SALS sous forme de distribution d'intensité dans l'espace inverse ou l'espace des moments (vecteur de diffusion). Lorsque le SALS est combiné avec la rhéologie, la distribution d'intensité analysée en fonction des angles de diffusion ou du vecteur de diffusion respectivement, donne des informations sur le changement de microstructure dû au cisaillement.

Un mélange de polymères immiscibles contenant 1 % de polyisobutylène (PIB) dans une matrice de polydiméthylsiloxane (PDMS) a été soumis à un cisaillement dans un dispositif combiné de rhéo-SALS. Le mélange immiscible se compose soit de gouttelettes de PIB, soit de domaines de PIB dans le PDMS. Le PIB est un élastomère, produit par la polymérisation cationique du vinyle de l'isobutylène et est souvent utilisé dans les colles et les composés d'étanchéité. Le comportement d'écoulement du mélange de polymères, soumis à une rampe de cisaillement logarithmique de 1 s^-1 à 200 s^-1, est caractéristique des polymères non liés. Pour des taux de cisaillement allant jusqu'à 20 s^-1, l'échantillon montre une viscosité à cisaillement nul. La force de cisaillement entraîne l'orientation et la déformation des domaines de PIB mais est contrebalancée par les forces de tension interfaciale, qui essaient de garder les gouttelettes sphériques, c'est-à-dire que la viscosité ne change pas. Les motifs de diffusion obtenus au repos et à faibles taux de cisaillement (images a et b dans la figure ci-dessous) montrent une distribution angulaire isotrope de l'intensité diffusée indiquant une forme sphérique des gouttelettes de PIB dans la matrice PDMS. En augmentant le taux de cisaillement, les forces de cisaillement à travers les gouttelettes dominent les forces de tension interfaciale ; les gouttelettes commencent à se déformer et la viscosité diminue. Suite à l'orientation et à la déformation des domaines PIB, les motifs de diffusion commencent à changer d'une forme circulaire à une forme elliptique. Plus le taux de cisaillement est élevé (images d et e), plus les domaines de PIB deviennent orientés et déformés, ce qui entraîne une plus grande anisotropie des motifs de diffusion. SALS est une "méthode d'espace inverse" : de grandes structures diffusent la lumière à de petits angles, tandis que la diffusion de la lumière sur de petites dimensions provoque de grands angles de diffusion. Par conséquent, la déformation des domaines de PIB dans une direction d'écoulement de cisaillement entraîne une lumière diffusée à des angles plus petits dans la direction de cisaillement, et à des angles plus grands perpendiculaires à la direction de cisaillement. Les motifs de diffusion de la lumière passent de circulaires à ellipsoïdaux, et l'ellipse est perpendiculaire à la direction de cisaillement.

Le système modulaire rheo-SALS dispose à la fois d'un contrôle de température Peltier et électrique. Une petite diode laser mobile émet de la lumière, avec une longueur d'onde de 658 nm, qui est transférée vers l'échantillon (faisceau laser primaire). Un système de lentille collecte la lumière diffusée et la transfère directement sur la puce CCD (dispositif à transfert de charge) d’une caméra. Un polariseur rotatif devant l'échantillon (pour les faisceaux entrants) et un analyseur derrière l'échantillon (lumière diffusée) permettent des mesures avec de la lumière polarisée et dépolarisée. Le train optique (module inférieur SALS) contient également le bloqueur de faisceau et maintient l'angle de diffusion ainsi que l'intensité lumineuse sans distorsion. Comme la diode laser, l’optique peut être déplacée, ce qui offre une flexibilité de mise au point sur différentes parties de l’échantillon. La large gamme d’angles de diffusion permet des mesures de structures petites et grandes.