Le 8 Mai 2002.

Compte rendu de Mission à la Conférence :

Electromagnetic Methods in Pharmacy and Medicine

Conference inaugurale du Groupe Dielectriques de l’Institut Britannique de Physique, 8 – 10 Avril 2002, Darwin College,Université de Canterbury (Kent).

Cette conférence s’est déroulée dans l’agréable cadre du College Darwin,à l’Université de Canterbury,et constituait la reprise inaugurale du Groupe de Physique des Diélectriques,de l’Institut de Physique Britannique,qui publie mensuellement le Revue « Physics World »,présentant,sans équations mais souvent avec des graphiques 3D,les résultats les plus avancés de la Physique Britannique.

Je mentionnerais ici aussi,si elle existe encore,la revue d’électronique « Wireless World »Qui a toujours présenté des articles brillants,didacticiels,et un courrier des lecteurs propice à éveiller la curiosité sur des points fondamentaux aux conséquences logiques très profondes,par exemple les conséquences de l’application du principe de conservation de l’énergie lors de la charge à tension constante d’une capacité dans un circuit totalement supraconducteur(on sait que,dans un circuit normal,la moitié de l’énergie fournie par une source à tension constante est dissipée par effet Joule).Je suggèrerais aussi au lecteur de ce rapport la relecture des conditions de possibilité ou impossibilité d’un effet Hall dans un supraconducteur,la découverte postérieure de l’effet Hall quantique(sous haut champ) et de la quantification de la résistance,en rapportant celle ci à sa nature physique,c’est à dire la diffusion électron-phonon dans les conducteurs.

Dans le passé,j’ai participé à deux Conférences de la « Dielectric Society » Britannique :

Celle de 1981 à Oxford,où je présentais mes premières interprétations d’effet photodiélectrique sous champ laser intense(dont j’avais présenté des résultats expérimentaux en 1978 au Congrés se déroulant à la »Brunnel University » :Electro-optics and Dielectrics of Macromolécules and Colloïds,édité par B.R. Jennings,Plenum Press,1979).Lors de cette conférence,j’avais plus particulièrement relevé la présentation de l’effet Wimslow,que j’ai mentionné spécialement dans ma Thèse de Doctorat Es Sciences(1983/1984)et présenté au CEA,et de l’observation d’un plasma gazeux d’électrons par contraste de phase(effet Schlieren),que je mentionne également à l’annexe 1 de cette même thèse et sur la base duquel je compte réaliser cette année un interféromètre laser à haute pureté modale,éventuellement capable de mesurer le potentiel vecteur magnétique à induction nulle(effet Aharonov-Bohm).

Celle de 1984 portait sur les propriétés diélectriques,piézoélectriques et structurales du PVDF(polyvinylidènedifluorure),dont j’avais obtenu à l’époque un échantillon sous forme de tube extrudé dont j’ai fait un capteur acoustique,alors que j’avais présenté un projet encore peu structuré à l’époque,mais dont je conçois désormais la possibilité d’un détecteur de courant neutre transportant de la parité(voir plus loins ma communication).Lors de cette même conférence,des ingénieurs de Thomson présentaient un dispositif piézoacoustique à 2MHz à leurs collègues britanniques,deux ans après le succés que l’on connaît de leur missile »Exocet » contre le Destroyer Britannique « Shieffield »(guerre des Falklands),et dix ans plus tard,des applications de ce même PVDF à des capteurs acoustiques utilisés en détonnique ont été décrits par le Centre d’Etudes de Vaujours-Moronvillers.

Je n’ai pu assister à toutes les communications de la conférence de cette année,car j’ai profité de la session »posters » pour une présentation de mes diélectromètres et susceptomètres cryogéniques(décrits dans ma thèse),ainsi qu’une simulation sommaire et animée en graphique 3D,sur mon IBM « Thinkpad »,d’un processus que je prévois d’émission diélectromagnétique dans un liquide dispersif soumis à une onde de choc de l’ordre de 10km/s(voir ma communication),ce qui,on le remarquera,correspond à la vitesse de détonation maximale des explosifs connus,ainsi qu’au seuil de satellisation(9km/s) puis de libération(11km/s)du champ de gravitation terrestre.

A part ma démonstration,il n’y a eu qu’une seule autre présentation de matériel lors de cette conférence :celle d’Andrew Savage,Directeur Commercial de « Solartron Analytical »,qui présentait un diélectromètre automatisé dans l’espace fréquence(10microHertz à 10MHz),permettant des mesures de précision dans une large gamme de température(77 à 500K),mais sur des échantillons disques de grande taille(environ 2pouces de diamètre).

L’une des premières communications présentées Mardi 9 Avril montrait un dispositif de mesure résolue spatialement d’analyse de tailles des goutelettes d’émulsions.

Ref :Macromolécules(2000),33,8443 et Langmuir(2000),16,1057.

Cette méthode consiste en une mesure RMN avec un champ inhomogène généré par des pièces polaires de forme spéciale,et permet une mesure des distributions de tailles des goutelettes,et le test de modèles d’action des crèmes.Les mesure préliminaires établissent une différence entre une peau normale,et une peau enduite d’une crème hydratante(le doigt du sujet étant introduit dans l’entrefer magnétique de l’appareil).

Avec une peau sèche,l’effet de la crème hydratante s’atténue rapidement,alors qu’il persiste

avec une peau normale.L’effet dépend de l’humidité atmosphérique.La déshydratation de la peau est étudiée dans un environnement sec :le « stratum corneum » agit comme barrière à la déshydratation de la peau.

Un autre intervenant,d’une Faculté de Pharmacie,présentait le défi industriel que représenterait l’amélioration du dosage et des défauts de fabrication(ce qui conduit au rebut un « batch »entier)des pillules,dont la fabrication met en œuvre 7 à 8 ingrédients finement broyés(dont :liants,méthylcelulose,phosphates…).

Les conditions de reproductibilité et parfait aspect imposées à l’industrie pharmaceutique sont extrêmement strictes,et l’une des meilleurs méthodes est l’absorption dans l’infra-rouge proche(NIR :700 à 2400nm),qui permet une distinction des solutions solides,différentes formes de polymères et différentes dimensions de particules,contrairement aux spectroscopies UV et IR(1 à 14microns).

Dans le procédé hors-ligne,on envoie des échantillons au laboratoire pour mesure,ce qui conduit à une pertede délai de 2 jours,prend jusqu’à 3 semaines,est couteux et ne permet pas le contrôle continu de fabrication.

Dans le procédé en ligne,on a un contrôle continu,interactif avec la production,au moyen d’un petit spectromètre NIR sur la cuve de préparation,permettant de 1 à 100 mesures par seconde,avec jusqu’à 9 sondes.

Le dispositif de mesure n’a pas besoin d’être intérieur :ainsi,on peut mesurer l’humidité par reflexion(je rappelerais ici qu’il y a 20 ans,la revue »Elektor »citait un procédé de Phillips-Eidhoven de mesure du glucose sanguin par onde évanescente sur un prisme en contact avec les lèvres-dont la peau est irriguée et très fine-du sujet,pour le contrôle de la glycémie des diabétiques,et que ces méthodes NIR semblent interessantes aussi pour le contrôle continu des huiles de coupe des laminoirs et autres grandes

machines d’usinage lourd). Le contrôle interactif permet un mélange humide du système solvant/solution/suspension,une granulation humide,puis un séchage aux taux d’humidité résiduelle spécifié.

Selon une autre spécificité,un alcool et un ester présentent des bandes spécifiques vers 1300nm et entre 1800 et 2150nm respectivement,et la dérivée seconde des mesures permettent un suivi continu de la cinétique d’estérification.

Autre exemple :on peut identifier de façon très précise en 2 à 5 secondesUn produit d’après les six plus grands pics de la dérivée seconde de son spectre NIR,ce qui a été appliqué à la séparation de 5 sortes de « digitalis »,identifiées par spectre 2D.

La mesure de la taille des particules est aussi très significative :ainsi,les comprimés de paracétamol contiennent 6 ingrédients,et la machine en fabrique 60 par seconde,dont il faut assurer la régularité.

De graves défauts d’aspect(chipping et collage),dus à la taille des particules,sont un cas de rebut.

On peut aussi reconnaître les contrefaçons,et la signature du lieu de fabrication.

D’après cet expert,une amélioration de 1% de la qualité de fabrication conduirait à une économie de 400M£ par an(soit sensiblement 700 Millions d’Euros).

Par contre,la NIR n’est pas une méthode primaire :il faut calibrer avec d’autres méthodes,par exemple par laser(il existe 6 différentes méthodes pour les mesures de tailles de particules).

G.Stevens présentait la combinaison de différentes méthodes pour la caractérisation de matrices polymères,en analysant tout le spectre au lieu de pics spécifiques.

Ceci constitue une illustration de la chimimétrie(chemometrics) :

Ainsi la Spectroscopie Raman appliquée aux polymères permet de faire la différence entre formes linéaires et cycliques,et on peut appliquer aussi la Spectroscopie Infra-Rouge par Transformée de Fourier(FTIR)aux polymères cellulosiques

La taille des échantillons peut varier du micron au centimètre,on peut faire une mesure à distance par fibre optique,et la méthode est sensible à tous les ingrédients,y compris les sous-produits

Les spectroscopies usuelles sont : UV,NIR,IR,Raman.

Une application importante est l’étude des isolants de transformateur,composés de papier Kraft et d’huile minérale.L’application des spectroscopies UV-Visible-NIR permet d’observer le vieillissement du papier,différent dans l’huile et dans l’air.La résistance mécanique dépend du degré de polymérisation,et une trop grande polymérisation conduit à un affaiblissement et une disruption.

Pour ce qui concerne l’huile minérale,dés que le modèle chimimétrique a été adapté,l’interprétation de l’analyse ne prend que quelques secondes,au lieu de semaines par les méthodes conventionelles(ceci correspond d’ailleurs à une proposition que j’avais faite à la Société INEL,il y a 15ans,pour le diagnostic du vieillissement de l’huile de mon prototype de cuve 60 Kilovolts/3Kilowatts,dont l’huile Esso 51 noircissait après quelques semaines de fonctionnement)

Le Dr Gillian Murray a présenté l’utilisation du chauffage diélecrique chez Petrie Technologies,fabricant utilisant des techniques de chauffage aussi bien traditionelles qu’innovantes,et spécialisé dans les méthodes de haute technologie :Micro-ondes,Radio-Fréquence,Infra-Rouge et par induction.

Les méthodes traditionelles sont difficiles à appliquer car la conductivité thermique décroit lorsque l’épaisseur croit.

Le chauffage diéle ctrique agit par absorption dipolaire,plus particulièrement de l’eau,plus spécifiquement en présence d’additifs conducteurs.

Les méthodes Micro-ondes et RF ont les avantages suivants :

1)dissipation de chaleur en volume 2)mise à niveau de l’humidité

3)chauffage sélectif 4)grand rendement

Le chauffage RF requiert une compliance couteuse aux normes de pollution électromagnétique,et peut être amélioré par transport de l’énergie depuis le générateur par ligne 50 ohms,puis adaptation d’impédance au niveau de l’applicateur.Les fréquences sont fixes. Les applications en sont :1)déshydratation et séchage 2)soudage

3)conformation et mise en forme de polymères.La haute fréquence chauffe l’eau en volume,et

comme la viscosité décroit lorsque la température croit,l’eau s’échappe plus facilement.

Le soudage HF est utilisé pour le polychlorure de vinyle(PVC),et la commande logicielle permet le dosage exact de la puissance requise pour chaque produit.

La mise en forme HF est utilisée pour la fabrication d’embut ou tube trachéal,et les applications médicales incluent la cautérisation,le chauffage rapide du plasma,et le traitement thermique de la consolidation osseuse et du cancer.

Un dispositif de chauffage par magnétron comporte un guide d’onde,un circulateur et le dispositif d’accord.

25kg de matière humide peuvent être séchées de 16% à moins de 1% d’eau en 16heures.

V.A. Goncharov,de l’Université de Kazan(Russie),associé à Geoffrey Smith,de l’Université DeMontfort-Angleterre) présentait le principe de base de mesure diélectrique par analyse de bruit thermique.

Cette méthode est présentée comme affranchie des effets non linéaires dépendant du champ(comme dans les polyélectrolytes et biopolymères)(voir cependant mon analyse des techniques traditionelles dépendant du champ dans l’introduction théorique et l’annexe 1 de ma thèse).L’échantillon reste dans l’état d’équilibre,mais on peut observer le processus de relaxation.

Kx(t) étant la fonction de corrélation,pour une température finie,donc un faible champ électrique :

L(Kx(t)=kT/jC0()

En effet,d’après les relations de Kramers-Kronig :

L(Kx(t))=Kx(t)e-stdt,0, avec s=+i ; 0

Car : Sx()=kTRe(Z())

L’impédance peut être aussi acoustique.

On mesure le courant de bruit sur résistance optimale d’un condensateur de référence,ou du condensateur de mesure(avec le diélectrique étudié),ainsi que sur court-circuit.

On détermine alors deux fonctions composées :

F2(t)=K(échantillon)(t) – K(court-circuit)(t)F1(t)=K(référence)(t) -K(court-circuit)(t)

Puis on détermine les fonctions de correlation entre F(t),F’(t),I(t),Q(t)et D(t).Et on procède aux mesures pour deux distances du condensateur de mesure

La possibilité de déduire la fonction de dispersion d’une mesure d’autocorrelation dépendant de la profondeur géométrique de l’échantillon me conduit à suggérer,à ce niveau,l’étude de modes d’oscillation tunnel dans l’effet photodiélectrique laser que je décit dans ma thèse,en considérant la fonction d’autocorrélation à différentes profondeurs de pénétration de la lumière du laser.

D’autre part,le conférencier décrit l’usage d’un simple réseau RC(filtre passe bas de 1er ordre) comme déphaseur,au lieu et place d’une ligne à retard,difficile à réaliser :

Soient X(t) et Y(t) respectivement les fonctions à l’entrée et à la sortie du réseau RC :

Il existe alors une relation simple.I()=Y2(t)=(1/)e-t/.Kx(t)dt,0,

Les avantages de la méthode de bruit thermique sont :

1)système à l’équilibre2)large bande de fréquence(pratiquement,les

mesures préliminaires présentées avaient un pas de 10 nanosecondes)

3)irremplaçables(d’après le conférencier)pour les objets biologiques,les ferroélectriques,les cristaux liquides,les substances au voisinage de transition de phase

4)compatibilité avec les méthodes d’impulsion vidéo.

Les objectifs sont :1)pour ce qui concerne l’industrie

pharmaceutique :amélioration de la délivrance des médicaments à la cellule cible et biosenseurs

2)traitement des substances très insolubles3)mieux comprendre les problèmes

physiques,et pas seulement chimiques.

Enfin,j’ai relevé deux posters particulièrement interessants en rapport avec les méthodes futures que je suggérais dans ma communication comme application de mon projet de spectromètre diélectrique intégré :

Percolation,theorie effective générale du milieu et algorithmes génétiques.

I Young,Structure and Materials CentreFuture Systems Technology Division, Qinetiq

LtdFinancé par le Ministère de la Défense via

Corporate Research Materials&Structure

Ref :1)Mc Lachlan D,Hein W,Chileme C & Wu J,Phys Review B,58(20),pp13558,1998

2)Young I ; « Electrical Percolation and the design of functional electromagnetic materials »,PhD Thesis,submitted Jan 2000

3)Bhattacharya & Chaklader A,Polymer-Plastics Technology and Engineering 19,pp21

J’ai relevé les équations expérimentales présentées,pour lesquelles il n’existe pas encore de théorie adéquate :

m,f=1-jf/0 et étant les permittivités de la matrice isolante,du dispersat(filler)et du composite :

(1-V)(m1/S-1/S)/(m

1/S+[(1-Vc)/Vc]1/S)+V(m1/t-1/t)/[f

1/t+[(1-Vc)/Vc]1/t]=0

et,pour ce qui concerne le seuil de percolation :

V-Vc-S et V-Vct

Le seuil de percolation est fonction des rayons du dispersat et de la matrice :

Vc=2,99(RF/Rm)/(1+ 2,99(RF/Rm)

Enfin,pour terminer,un poster était relatif à un effet morphogénétique d’embryogénèse directement à partir d’un tissu végétal, induit électriquement, sans fertilisation et sans formation d’un zygote,phénomène qui peut être induit dans une culture en suspension et régénérer la plante entière.

Titre :Caractérisaton électrocinétique et séparation par champ alternatif de cellules de plante dans l’embryogénèse somatique de carotes.

Chris D Falokun,Feida Mautuna et Gerard H Marky ;Dpt Chem Engineering

UMIST, PO Box 88 , Manchester M60 1QD.