La présente invention concerne un dispositif pour la synthèse et l'étude de composés sous températures et pressions contrôlées. Un tel dispositif permet de réaliser des synthèses et des études de différents composés chimiques ou biologiques sur une large gamme de température et de pression, comprise en 80K à 450° K et jusqu'à 200 bars.

Un tel dispositif permet, par exemple, la synthèse et l'analyse des hydrates de gaz, appelés également clathrates de gaz.

Les hydrates de gaz sont des structures cristallines, appelées structures clathrates, dans lesquelles les molécules d'eau forment des motifs assemblés entre eux de manière répétitive et définissent des cavités aptes à piéger des molécules hôtes gazeuses. De tels composés se trouvent en particulier dans les glaces des satellites de glace du système solaire, sur terre dans les régions polaires, dans les sols gelés et les calottes polaires, ainsi que dans les fonds marins sur certains talus continentaux. De par leur capacité à stocker et à transporter des gaz, leurs études revêtent un intérêt particulier. Ces hydrates de gaz se forment et demeurent stables soit sous haute pression à température ambiante, soit à basse température à pression ambiante. Leur stabilité dépend également fortement de la composition du gaz piégé dans les cages. L'étude de la stabilité en pression/température de telles structures cristallines, à l'échelle microscopique, est essentielle pour comprendre les processus d'échanges chimiques dans les milieux riches en eau.

Actuellement, la synthèse de ces composés et leur étude nécessitent l'utilisation de plusieurs dispositifs séparés. Ceci implique un transfert de l'échantillon entre le dispositif de synthèse et le dispositif d'analyse, entraînant une déstabilisation de l'échantillon, qui se retrouve temporairement en dehors de son champ de stabilité. Ce même type de problème peut se rencontrer pour d'autres composés chimiques et biologiques nécessitant une gamme de stabilité bien précise.

Un dispositif généralement utilisé dans une telle méthode d'analyse de composés clathrates est représenté en lien avec les Figs. 1 et 2. Ce dispositif 100 se présente sous la forme d'un corps 101 de forme cylindrique délimitant une chambre à vide 102 pourvue d'un réceptacle 103 en son centre pour placer l'échantillon ou le composé à analyser. Le corps est fermé par un couvercle 104 qui est pourvu d'une fenêtre optique 105, par exemple une fenêtre de saphir, permettant l'observation et l'analyse de l'échantillon sur le support par des techniques de microscopie et de spectroscopie. Des moyens de chauffage annulaires 106 sont disposés autour du réceptacle 103. La chambre à vide 102 contient un serpentin 108 qui est en communication avec une entrée 107 pour un gaz refroidissant, tel que de l'azote liquide, et une sortie 109 pour ce gaz refroidissant. Le gaz refroidissant est apte à circuler dans le serpentin 108 selon un écoulement annulaire dans la chambre à vide 102. La chambre à vide 102 est en communication avec une pompe à vide 110. Un accès 11 1 à des moyens électriques est en outre prévu. La mise sous vide a pour but d'isoler thermiquement l'échantillon en supprimant les échanges de chaleur par convection entre le réceptacle 103 et l'enveloppe externe du cryostat. Cependant, l'échantillon se trouvant en contact avec le vide, peut, selon la molécule hôte, se retrouver déstabilisé, entraînant une perte de gaz.

Un but de la présente invention est de proposer un dispositif permettant à la fois la synthèse et l'étude de composés chimiques ou biologiques sous températures et pressions contrôlées. En particulier, un dispositif selon l'invention a pour but de permettre la synthèse desdits échantillons et leurs analyses dans une même enceinte ou dispositif, supprimant ainsi toute manipulation et transfert dudit échantillon ou composé synthétisé hors de ses plages de températures et de pressions, donc de stabilité.

A cet effet, l'invention concerne un dispositif pour la synthèse et l'étude de composés sous températures et pressions contrôlées, comprenant :

- un corps délimitant une chambre à vide et présentant une ou plusieurs fenêtres permettant d'observer à l'intérieur de la chambre depuis l'extérieur,

- des moyens de régulation de la température destinés à réguler la température à l'intérieur de la chambre à vide, et

- des moyens de mise sous vide destinés à réguler la pression dans la chambre à vide,

qui se caractérise en ce qu'il comporte, à l'intérieur de la chambre à vide, une structure étanche délimitant une chambre étanche présentant une ou plusieurs fenêtres optiques en regard de l'une ou des fenêtres dudit corps, et au moins un conduit qui est en communication fluidique d'une part avec l'intérieur de ladite chambre étanche et, d'autre part, avec une sortie qui est pratiquée dans le corps et qui est prévue pour être connectée à une ou plusieurs sources de gaz de synthèse dudit composé.

Le dispositif selon l'invention comporte une chambre étanche à l'intérieur de laquelle se déroulent la synthèse et l'analyse ultérieure d'un composé ou échantillon biologique ou chimique. L'apport du ou des gaz de synthèse du composé dans la chambre étanche se fait par l'intermédiaire d'un conduit connecté à la source des gaz de synthèse, le conduit débouchant directement à l'intérieur de la chambre étanche. La chambre étanche permet d'isoler le composé synthétisé de la chambre à vide ce qui évite d'engendrer des phénomènes de perte de stabilité du composé. De même, l'étude ayant lieu directement dans la chambre étanche, l'étape déstabilisante du transfert, en chambre froide, de l'autoclave vers tout dispositif d'étude et d'analyse est supprimée. Le dispositif selon l'invention permet donc de maintenir le composé ou échantillon synthétisé dans son domaine de stabilité de températures et de pressions. Le conduit, connecté à une source de gaz externe, permet encore de faire varier la pression dans la chambre étanche afin de mener, par exemple, des études de stabilité des composés en fonction de la pression. La chambre étanche est en effet apte à être mise sous une pression jusqu'à 200 bars. De même, les moyens de régulation de la température permettent de faire varier la température pour des études de stabilité sur une plage déterminée. Selon un mode de réalisation de l'invention, la structure étanche est constituée d'une portion supérieure et d'une portion inférieure solidarisées l'une à l'autre par des moyens de liaison.

Avantageusement, les moyens de liaison sont amovibles.

Ce mode de réalisation permet de démonter la chambre étanche pour son nettoyage ou toute autre manipulation.

Selon un mode de réalisation, le corps présente deux fenêtres optiques en vis à vis l'une de l'autre, la portion supérieure de ladite structure étanche présente une fenêtre optique en vis à vis avec une fenêtre optique dudit corps, la portion inférieure de ladite structure étanche présente une fenêtre optique en vis à vis avec l'autre fenêtre optique dudit corps ainsi qu'avec la fenêtre optique de la portion supérieure.

Ce mode de réalisation permet l'analyse par microscopie en transmission de l'échantillon ou du composé synthétisé.

Selon un mode de réalisation de l'invention, la portion supérieure de ladite structure étanche présente une fenêtre optique en vis à vis avec une fenêtre que comporte le corps, la portion inférieure de ladite structure étanche ne comportant pas de fenêtre optique.

Ce mode de réalisation permet l'analyse par microscopie en réflexion de l'échantillon ou du composé synthétisé.

De manière avantageuse, un joint d'étanchéité est disposé entre les portions supérieure et inférieure.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte, de plus, un second conduit pour la mise sous vide de la chambre étanche, ledit conduit étant en communication fluidique d'une part, avec l'intérieur de ladite chambre étanche et, d'autre part, avec une sortie qui est pratiquée dans le corps et qui est prévue pour être connectée à un dispositif de mise sous vide.

Selon un mode de réalisation de l'invention, l'une parmi la portion inférieure ou la portion supérieure de ladite structure étanche présente au moins un usinage à travers lequel un conduit s'étend.

Avantageusement, chaque conduit est un tube capillaire dont au moins la partie s 'étendant dans la portion inférieure ou la portion supérieure de ladite structure étanche est recouverte d'un tube en inox.

L'invention concerne encore une structure étanche prévue pour être disposée à l'intérieur d'un dispositif de synthèse et d'étude de composés sous températures et pressions contrôlées tel que décrit précédemment, ladite structure étanche délimitant une chambre étanche présentant une ou plusieurs fenêtres optiques en regard l'une d'une autre, et au moins un conduit qui est en communication fluidique d'une part avec l'intérieur de ladite chambre étanche et, d'autre part, avec une sortie menant hors de ladite structure étanche.

Avantageusement, la structure étanche présente les caractéristiques précédemment mentionnées en lien avec le dispositif selon l'invention.

Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels :

La Fig. 1 est vue du dessus d'un dispositif d'étude de composés chimiques selon l'état de la technique,

la Fig. 2 est une demi-coupe selon un plan axial du dispositif d'étude de composés chimiques déjà représenté à la Fig. 1,

la Fig. 3 est une demi-coupe selon un plan axial d'un dispositif de synthèse et d'étude de composés sous températures et pressions contrôlées selon un mode de réalisation de l'invention,

la Fig. 4 est une demi-coupe selon un plan axial du dispositif de synthèse et d'étude de composés sous températures et pressions contrôlées selon le premier mode de réalisation de l'invention,

la Fig. 5 est une demi-coupe selon un plan axial d'un dispositif de synthèse et d'étude de composés sous températures et pressions contrôlées selon un second mode de réalisation de l'invention.

Un dispositif 200 permettant la synthèse de composés biologiques ou chimiques, par exemple de composés clathrates, sous températures et pressions contrôlées et permettant l'analyse et l'étude ultérieures de ce composé par une technique de microscopie en transmission est représenté en lien avec la Fig. 3, laquelle représente une vue du dessus du dispositif 200 et en lien avec la Fig. 4 laquelle représente une vue en demi-coupe transversale du dispositif 200. Le dispositif 200 se présente sous une forme circulaire lorsqu'il est vu du dessus ou du dessous.

Le dispositif 200 comprend un corps 201 qui délimite une chambre à vide 202 et qui présente des fenêtres optiques 205, 216 en regard l'une de l'autre. Ces fenêtres permettent de voir à l'intérieur du dispositif 200, en particulier avec des techniques de microscopie.

Le dispositif 200 comporte encore des moyens de régulation de la température 206, 208 destinés à réguler la température à l'intérieur de la chambre à vide 202, ainsi que des moyens de mise sous vide 210 destinés à réguler la pression dans la chambre à vide 202.

A l'intérieur de la chambre à vide 202 se trouve une structure étanche 10 délimitant une chambre étanche 13 présentant des fenêtres optiques 16, 19 en regard l'une de l'autre et en regard des fenêtres 205, 216 du corps 201. Les fenêtres 16, 19, 205 et 216 permettent d'observer à l'intérieur de la chambre étanche 13 depuis l'extérieur du dispositif 200.

A l'intérieur de la chambre à vide 202 se trouve encore un conduit 213 qui est en communication fluidique d'une part avec l'intérieur de la chambre étanche 13 et, d'autre part, avec une sortie 212 qui est pratiquée dans le corps 201 et qui est prévue pour être connectée à une ou plusieurs sources de gaz de synthèse du composé à synthétiser.

La synthèse et l'analyse ultérieures d'un composé ou échantillon biologique ou chimique ont lieu à l'intérieur de la chambre étanche 13 de la structure étanche 10. L'apport du ou des gaz de synthèse du composé dans la chambre étanche 13 se fait par l'intermédiaire du conduit 213 connecté à la source des gaz de synthèse, le conduit 213 débouchant directement dans le volume intérieur de la chambre étanche 13. Par exemple, les sources de gaz nécessaires à la synthèse des clathrates sont du dioxyde de carbone, de l'azote et du méthane. La chambre étanche 13 permet d'isoler le composé synthétisé de la chambre à vide 202 ce qui évite d'engendrer des phénomènes de perte de stabilité du composé. De même, l'étude ayant lieu directement dans la chambre étanche 13, aucune étape de transfert du dispositif dédié à la synthèse vers un dispositif dédié à l'analyse par technique de microscopie n'est nécessaire. Le composé ou échantillon synthétisé est maintenu dans son domaine de stabilité de températures et de pressions. En effet, la chambre étanche 13 permet de travailler sur une plage de pressions comprises entre 10 ^"3 mbar à 150 bars et sur une plage de températures comprises entre 80 et 450° K +/-0.1 K. La température peut varier dans la chambre 13 grâce aux moyens de régulation de la température. La pression peut varier dans la chambre 13 par l'intermédiaire de la source de gaz permettant une entrée de gaz dans la chambre 13 par le conduit 213. Par exemple, lors de la synthèse de composés clathrates, la pression dans la chambre étanche 13 est réglée, par l'intermédiaire du conduit 213, à 150 bars et la température est réglée, par l'intermédiaire des moyens de régulation de la température, à 300 °K. Lors des études ultérieures du composé synthétisé, la pression et la température peuvent varier sur les plages de valeurs indiquées précédemment.

Le corps 201 est fermé par un couvercle 204 dans lequel est aménagée la fenêtre optique 205. La fenêtre 216, quant à elle, est aménagée dans la base 217 du corps 201. Les axes centraux des fenêtres 205 et 216 sont confondus et sont également confondus avec l'axe central Ac du dispositif 200.

Les moyens de régulation de la température à l'intérieur du dispositif 200 se composent d'un moyen de chauffage annulaire 206 qui est disposé au centre de la chambre à vide 202 et qui est fixé sur la base 217 du corps 201 à l'aide de piliers 215. Le moyen de chauffage annulaire 206 s'étend tout autour de la structure étanche 10. Il présente des moyens pour supporter la structure étanche 10. Dans ce mode de réalisation, il présente une surface plane 2062 sur laquelle la structure étanche 10 repose.

Les moyens de régulation de la température comprennent encore un serpentin 208 qui débouche à l'extérieur du corps 201 par une entrée 207 et une sortie 209 pour permettre à un gaz refroidissant, tel que de l'azote liquide, de circuler dans le serpentin 208, au moyen par exemple d'une pompe (non représentée). L'entrée 207 et la sortie 209 peuvent prendre la forme de canalisations.

Enfin, les moyens de régulation de la température comprennent une sonde de température, préférentiellement une sonde à résistance en platine (non représentée).

Le corps 201 est traversé par une canalisation 210 qui débouche, d'une part dans la chambre à vide 202 et d'autre part, à l'extérieur du corps 201 où elle est branchée à une pompe à vide pour créer le vide dans la chambre à vide 202.

Un accès 211 à des moyens électriques est en outre prévu (Fig. 3).

La structure étanche 10 ainsi que le corps 201 présentent dans le mode de réalisation décrit sur les Figs. 3 et 4, une forme cylindrique. L'axe central de la structure étanche 10 et l'axe central du corps 201 sont confondus (Ac).

La structure étanche 10 se présente sous la forme d'un assemblage d'une portion supérieure 11 et d'une portion inférieure 12 reliées l'une à l'autre par un moyen de liaison, par exemple une vis 14, autour de la chambre étanche 13. Le moyen de liaison est amovible afin de faciliter le montage et démontage des portions 11 et 12. Les portions supérieure 11 et inférieure 12 sont des pièces réalisées en acier inoxydable. Elles subissent préalablement à leur montage, des traitements de surfaces thermiques et chimiques, tels qu'un polissage mécanique à l'aide d'une suspension diamantée ¼ de micromètre, puis nettoyage aux ultrasons. Le traitement thermique des pièces se déroule à 540°C pendant 4 heures selon les recommandations d'Aubert et Duval, puis passivation des pièces durant 5 min selon la norme ASTM 380. La passivation permet de nettoyer, d'éliminer les couches d'oxyde formées en surface des éléments 11 et 12. La solution employée pour ce faire est un mélange d'acide nitrique, d'acide fluorhydrique et d'eau. Les pièces sont ensuite rincées et nettoyées aux ultra- sons.

La portion supérieure 11 de la structure étanche 10 présente une fenêtre optique 16 qui se trouve en vis à vis avec la fenêtre optique 305 du corps 201. La portion inférieure 12 présente également une fenêtre optique 19 qui se trouve en vis à vis avec la fenêtre optique 216 du corps 201 ainsi qu'avec la fenêtre optique 16 de la portion supérieure 11. Les axes centraux des fenêtres optiques 16, 19, 216 et 305 sont confondus (Ac). Les fenêtres optiques 16 et 19 rendent le dispositif 200 adapté à l'étude de composés par microscopie en transmission.

Les fenêtres optiques 16 et 19 sont fixées par collage dans des gorges, respectivement, aménagées dans les portions supérieures 11 et inférieures 12.

Les fenêtres optiques 305, 216, 16 et 19 sont, lorsque le dispositif 200 est dédié à la synthèse et l'étude de composés clathrates, en saphir. Elles présentent une épaisseur de 1 mm et un diamètre utile de 8 mm.

L'étanchéité de la chambre 10 est assurée au moyen d'un joint torique en téflon 214 disposé entre la portion supérieure 11 et la portion inférieure 12.

Le conduit 213 se présente avantageusement sous la forme d'un tube capillaire.

Un usinage est pratiqué dans la portion inférieure 12, entre l'intérieur de la chambre étanche 13 et une sortie 15 de la structure 10, de manière à permettre le passage du conduit 213 depuis une sortie 212 qui est pratiquée dans le corps 201 jusqu'à l'intérieur de la chambre étanche 13. La portion du tube capillaire qui s'étend dans la portion inférieure 12 de la chambre 13 est recouverte d'une structure en inox telle qu'un tube en inox. Le tube en inox protège le capillaire des phénomènes de surchauffe et de dilatation pouvant être occasionnés à l'intérieur du capillaire. Le moyen de chauffage 206 qui entoure la structure étanche 10 présente bien entendu des passages 2061 tels que des alésages, permettant le passage du conduit 213.

En lien avec la Fig. 5 est représenté un dispositif 300 permettant la synthèse de composés biologiques ou chimiques, par exemple de composés clathrates, sous températures et pressions contrôlées et permettant l'analyse et l'étude ultérieures de ce composé par une technique de microscopie en réflexion. Le dispositif 300 diffère du dispositif 200 uniquement en ce que la portion inférieure 12' ne contient pas de fenêtre optique. Pour le reste, le dispositif 300 contient des caractéristiques identiques à celles du dispositif 200 et présente les mêmes avantages techniques.

En particulier, le dispositif 300 comprend un corps 301 qui délimite une chambre à vide 302 et qui présente une fenêtre optique 305.

Le dispositif 300 comporte encore des moyens de régulation de la température 306, 308 destinés à réguler la température à l'intérieur de la chambre à vide 302, ainsi que des moyens de mise sous vide 310 destinés à réguler la pression dans la chambre à vide 302.

A l'intérieur de la chambre à vide 302 se trouve une structure étanche 10' délimitant une chambre étanche 13' présentant une fenêtre optique 16' en regard d'une fenêtre 305 du corps 301. Les fenêtres 16' et 305 permettent d'observer à l'intérieur de la chambre étanche 13' depuis l'extérieur du dispositif 300.

A l'intérieur de la chambre à vide 302 se trouve encore un conduit 313 qui est en communication fluidique d'une part avec l'intérieur de la chambre étanche 13' et, d'autre part, avec une sortie 312 qui est pratiquée dans le corps 301 et qui est prévue pour être connectée à une ou plusieurs sources de gaz de synthèse du composé à synthétiser. Le conduit 313 débouche hors de la structure étanche 10' par une sortie 15'.

La synthèse et l'analyse ultérieures d'un composé ou échantillon biologique ou chimique ont lieu à l'intérieur de la chambre étanche 10' de la structure étanche 13 ' comme cela est le cas du dispositif 200 décrit précédemment. L'apport du ou des gaz de synthèse du composé dans la chambre étanche 13' se fait par l'intermédiaire du conduit 313 connecté à la source des gaz de synthèse, le conduit 313 débouchant directement dans le volume intérieur de la chambre étanche 13' . Dans ce mode de réalisation également, la chambre étanche 13' permet d'isoler le composé synthétisé de la chambre à vide 302. Le composé ou échantillon synthétisé est maintenu dans son domaine de stabilité de températures et de pressions. Lors des études ultérieures du composé synthétisé, la pression peut varier sur une plage comprise entre 10 ^"3 mbar à 150 bars et la température peut varier sur une plage comprise entre 80 et 450° K +/- 0.1 K.

Comme mentionné précédemment, la portion supérieure 11 ' de la structure étanche 10' présente une fenêtre optique 16' en vis à vis avec une fenêtre 305 que comporte le couvercle 304 du corps 301, la portion inférieure 12' ne comportant pas de fenêtre optique. De même, la base 317 du corps 301 ne comporte pas de fenêtre optique. Le dispositif 300 est ainsi adapté à une étude par technique de microscopie en réflexion.

Les moyens de régulation de la température comprennent un serpentin 308 qui s'étend entre une entrée 307 et une sortie 309 pour permettre à un gaz refroidissant, tel que de l'azote liquide, de circuler dans le serpentin 308, un moyen de chauffage annulaire 306 qui est fixé sur la base 317 du corps 301 à l'aide de piliers 315. Le moyen de chauffage annulaire 306 s'étend tout autour de la structure étanche 10' et présente une surface plane 2062 sur laquelle la structure étanche 10 repose.

Le corps 301 est traversé par une canalisation 310 qui débouche d'une part, dans la chambre à vide 302 et d'autre part, à l'extérieur du corps 301 où elle est branchée à une pompe à vide pour créer le vide dans la chambre à vide 302.

Le dispositif 300 est, vu du dessus, identique au dispositif 200 représenté à la

Fig.3. Il présente ainsi une structure cylindrique.

Les structures étanches 10 et 10' peuvent être démontées et remontées facilement dans des dispositifs 200 et 300 de synthèse et d'étude selon l'invention.

De manière optionnelle, le dispositif 200, 300 peut comprendre un second conduit 218, 318 avantageusement sous la forme d'un tube capillaire, établissant une communication fluidique entre l'intérieur de la chambre étanche 13, 13' et une sortie 219, 319 qui est pratiquée dans le corps 201, 301 et qui est connectée à un dispositif de mise sous vide. Le second capillaire 218, 318 est utilisé pour établir un vide à l'intérieur de la chambre 13, 13', par exemple, avant la mise sous pression dans cette chambre étanche. Il est possible de prévoir un moyen de contrôle permettant de vérifier que le vide est établi. Par exemple, le vide est établi par le capillaire 218,318 et mesuré par l'autre capillaire 213, 313.