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Que représente
cette image ?
Posté par Publication le 28/08/2005 à 00:38
Des craquelures dans une gaine d'isolation électrique en polyéthylène
Afin d'illustrer la manière d'obtenir des images en trois dimensions dans la matière, prenons comme exemple l'étude d'un réseau de craquelures dans un morceau de polyéthylène. Cet exemple n'est pas seulement académique, car il s'agit d'une vraie interrogation industrielle. Le polyéthylène est utilisé comme gaine d'isolation des câbles de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies...) de l'énergie électrique à haute tension (La tension est une force d'extension.) immergés dans la mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.). Au fil des années, sous l'influence du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) électrique et de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) salée environnante, se développent des craquelures qui font chuter les capacités d'isolation. Les observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) en trois dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre...) servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à comprendre comment ces craquelures naissent et grossissent.

Confection des échantillons de polyéthylène craquelés

On ne va pas observer les vrais câbles défectueux, qu'il est difficile de se procurer, car heureusement, la formation des craquelures s'étale sur une quinzaine d'années. Les études ont lieu sur des échantillons vieillis artificiellement par des traitements accélérés. Dans un bloc de polyéthylène d'un ou deux centimètres de côté, un évidemment conique (Les coniques constituent une famille très utilisée de courbes planes algébriques, qui peuvent être définies de plusieurs manières...) est rempli d'eau salée conductrice. Un champ électrique alternatif est appliqué entre deux électrodes dont l'une plonge dans l'eau, et l'autre appliquée au fond du bloc. Une structure en éventail ou en arbre (Un arbre est une plante terrestre capable de se développer par elle-même en hauteur, en général au delà de sept mètres. Les arbres acquièrent une structure rigide composée d'un tronc qui peut...) apparaît en quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :) à l'extrémité du cône où le champ est au maximum. Elle est visible à l'oeil nu, ou tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) au moins à l'aide d'une loupe (Une loupe est un instrument d'optique subjectif constitué d'une lentille convexe permettant d'obtenir d'un objet une image agrandie. La loupe est la forme la plus simple du microscope optique, qui, lui, est...), et on peut facilement suivre son évolution au cours du vieillissement (La notion de vieillissement décrit une ou plusieurs modifications fonctionnelles diminuant progressivement l'aptitude d'un objet, d'une information ou d'un organisme à assurer ses fonctions.).

Les arborescences d'eau

Pour voir les détails de cette structure craquelée, on l'observe en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur)...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) conventionnelle par transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la...) (figure 1). L'éventail prend sa racine au niveau de la pointe du cône, et s'élargit dans des directions divergentes plus ou moins allongées. L'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut...) donne souvent l'impression d'un arbre, ce qui lui a valu le nom d'arborescence d'eau. On devine les structures internes radiantes.


Figure 1: Arborescence d'eau, microscopie optique en fond clair
Cliché E. Moreau et A. Boudet

Diffusion de lumière et contrastes

Qu'est-ce qui limite la précision de l'image obtenue ? On parle souvent de la résolution du microscope et j'y reviendrai, mais en premier lieu, il y a la lumière qui diffuse, comme un brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques...), et vient ajouter du flou à l'image de l'arborescence elle-même. Cette diffusion vient de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose...) de la lumière avec la masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...) du polyéthylène et elle augmente avec l'épaisseur de l'échantillon. L'image n'est nette (Le terme Nette est un nom vernaculaire attribué en français à plusieurs espèces de canards reconnaissablent à leurs calottes. Le terme est un emprunt au grec ancien...) que si la tranche de polyéthylène ne dépasse pas quelques micromètres d'épaisseur. Les informations de structure en épaisseur restent faibles. On peut avoir une petite idée de l'agencement en hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) en modifiant progressivement la mise au point (Graphie) de façon à déplacer le plan de netteté d'une face à l'autre de la tranche. Mais on ne peut pas s'affranchir du flou provenant des autres plans. Ce sera le mérite de la microscopie confocale de l'éliminer.

En deuxième lieu, la structure n'est bien observée que si elle est suffisamment contrastée. Un contre-exemple (En mathématiques, un contre-exemple est un exemple, un cas particulier ou un résultat général, qui contredit les premières impressions. Un contre-exemple peut aussi...) est celui d'une boule blanche sur un tapis de neige (La neige est une forme de précipitation, constituée de glace cristallisée et agglomérée en flocons pouvant être ramifiés d'une...), ou encore les "tenues" de camouflage dont sont pourvus certains animaux. Les arborescences sont aisément visibles parce qu'elles sont gonflées d'eau, ce qui les rend différentes de leur voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la...).

Cependant, leurs contours restent assez incertains. Pour avoir une finesse plus grande, nous allons faire appel à un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) lumineux issu des arborescences elles-mêmes, la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière...). Cela sera leur fluorescence naturelle ou celle plus intense d'une substance fluorescente qu'on leur injecte.
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