Qu'est-ce qu'un microcalorimètre?
Un microcalorimètre est un dispositif thermique sensible utilisé pour mesurer l'énergie de particules uniques ou de photons, des particules élémentaires de lumière. C'est un type de calorimètre - un instrument qui mesure la chaleur dégagée par des réactions physiques ou chimiques dans un échantillon. Les microcalorimètres sont utilisés en astrophysique pour mesurer l'énergie des photons de rayons X de l'espace. Un dispositif connexe, le microcalorimètre isotherme, est utilisé en biochimie et dans des domaines apparentés pour détecter les changements d'énergie minimes à basses températures.
La loi de conservation de l'énergie, une loi fondamentale de la physique, stipule que l'énergie ne peut être ni créée ni détruite - elle ne peut être convertie que sous d'autres formes. Les microcalorimètres fonctionnent sur ce principe. L'énergie provenant d'une interaction physique ou d'une réaction chimique est transformée en chaleur à l'intérieur du système. En mesurant le changement de chaleur qui en résulte, on peut en déduire l'énergie de l'interaction.
Le type de microcalorimètre utilisé en astrophysique comprend trois composants principaux: un absorbeur, un dissipateur de chaleur et une thermistance. Lorsqu'un photon de rayons X frappe l'absorbeur, l'énergie est transférée à un électron dans un atome du matériau absorbant. Cette énergie provoque l'excitation de l'électron - il s'éloigne du noyau de l'atome et se libère de son orbite. D'autres électrons de l'absorbeur peuvent être excités à des degrés moindres par cet électron lâche, atteignant des orbites d'énergie supérieure autour de leurs atomes respectifs.
Les électrons excités libèrent de l'énergie lorsqu'ils retournent à leur état fondamental ou à leur énergie minimale - une orbite stable autour des atomes. L'énergie libérée au cours de ce processus est conservée et convertie en chaleur, entraînant une légère augmentation de la température dans l'absorbeur. Un thermomètre situé dans l'absorbeur, appelé thermistance, détecte ce changement de température. La chaleur pénètre ensuite dans le puits de chaleur, ramenant l'absorbeur à sa température initiale. En mesurant le changement de température causé par l’impact des rayons X, l’énergie initiale des rayons X peut être calculée.
Le microcalorimètre isotherme fonctionne de la même manière, bien qu’il soit utilisé pour mesurer les interactions chimiques plutôt que l’énergie des photons. Ce dispositif consiste en un dissipateur de chaleur et un récipient de réaction fermé dans lequel la réaction chimique a lieu. Le dissipateur thermique garantit que le récipient de réaction est maintenu à une température constante, permettant des mesures exactes. Lorsque la réaction chimique se produit, une certaine quantité d'énergie est soit libérée sous forme de chaleur, soit absorbée, ce qui provoque un changement de température enregistré par le microcalorimètre. Les microcalorimètres isothermiques ont des applications en physico-chimie, biochimie et industrie pharmaceutique car ils fournissent un moyen extrêmement sensible d'analyser le flux de chaleur dans une réaction.
Les microcalorimètres doivent fonctionner à basse température pour que les minuscules changements de chaleur qu'ils mesurent puissent être enregistrés. Par exemple, les appareils utilisés en astrophysique sont maintenus près du zéro absolu. À cette température, même le faible changement d'énergie thermique causé par l'impact d'un photon unique peut être détecté. Les microcalorimètres isothermes ne sont pas aussi extrêmes, mais sont toujours maintenus à des températures beaucoup plus basses que les calorimètres à grande échelle.