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1 - PRINCIPES

2 - APPLICATIONS DE LA MCQ

3 - CONCLUSIONS

Article de référence | Réf : P2220 v1

Conclusions
Microbalance à cristal de quartz

Auteur(s) : Thierry PAUPORTÉ, Daniel LINCOT

Relu et validé le 13 oct. 2020

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RÉSUMÉ

Instrument de mesure d’une très grande sensibilité, la microbalance à cristal de quartz (MCQ) est basée sur les propriétés piézo-électriques du quartz. Elle permet de mesurer une prise de masse à la surface d’une des électrodes du résonateur. Souvent utilisée pour étudier les dépôts ou les interfaces, cette microbalance est également retenue pour des mesures de contraintes dans des films, de viscosité d’une solution ou l’étude de la formation de bulles. Sa fréquence de résonance est malgré tout impactée par d’autres paramètres de l’environnement.

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Auteur(s)

  • Thierry PAUPORTÉ : Ancien élève de l’École Normale Supérieure de Lyon - Chargé de Recherche au CNRS - Chercheur au Laboratoire d’Électrochimie et de Chimie Analytique à l’École Nationale Supérieure de Chimie de Paris

  • Daniel LINCOT : Ingénieur ESPCI (École Supérieure de Physique et Chimie Industrielles) - Directeur de Recherche au CNRS - Directeur du Laboratoire d’Électrochimie et de Chimie Analytique à l’École Nationale Supérieure de Chimie de Paris

INTRODUCTION

La mesure d’une faible prise ou perte de masse sur une surface lorsque les phénomènes mis en jeu sont sub-micrométriques nécessite l’utilisation d’une méthode adaptée. Dans ce cas, les méthodes classiques de pesée ne peuvent pas être utilisées du fait de leur faible sensibilité et de la difficulté de les mettre en œuvre dans des milieux variés, notamment liquides (le lecteur pourra se reporter au dossier Balances et pesées [1]). La microbalance à cristal de quartz (MCQ) est une méthode basée sur les propriétés piézo-électriques du quartz. Elle est très sensible, ce qui permet la mesure de très faibles variations de masse (jusqu’à la fraction d’une monocouche). La MCQ est très simple à mettre en œuvre et l’équipement nécessaire est d’un coût modéré. Enfin, dans sa variante électrochimique, le potentiel électrochimique de la surface de mesure peut être contrôlé permettant un ajustement de la charge de surface et/ou de l’état redox des espèces présentes.

Cependant, l’utilisation de la MCQ nécessite certaines précautions, qui sont dues au principe de fonctionnement du capteur utilisé (un cristal de quartz) et à sa sensibilité à d’autres paramètres que le dépôt ou la perte de matière. Ces paramètres sont essentiellement : la température, le contact avec une solution, la pression et les contraintes exercées sur le quartz. Les applications de la méthode sont très variées et dépassent très largement le dépôt ou l’électrodépôt de couches. Celles-ci seront détaillées dans le paragraphe 2 de ce dossier.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-p2220


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3. Conclusions

La microbalance à cristal de quartz est un instrument de mesure d’une très grande sensibilité basé sur les propriétés piézo-électriques du quartz. Elle est utilisée depuis les années 1960 pour suivre les variations d’épaisseurs lors de dépôts sous vide. Les champs d’application de la méthode se sont très largement élargis depuis les années 1980-1990 durant lesquelles son utilisation dans les milieux liquides a fait l’objet de nombreux développements. La MCQ peut être utilisée en tant que sonde pour étudier les solutions, les dépôts et les interfaces. Dans sa variante électrochimique, le potentiel d’une des électrodes peut être contrôlé permettant un ajustement de la charge de surface et/ou de l’état redox des espèces présentes. La sensibilité de la MCQ permet l’étude de fractions de monocouches. La méthode a connu de nouveaux développements avec la réalisation de capteurs, notamment en combinant le résonateur à des molécules biologiques de forte spécificité. Des immunocapteurs ont ainsi été mis au point. Un nouveau défi technologique pour les prochaines années consistera probablement à miniaturiser ces capteurs, à les faire travailler en réseaux et à en réduire leur coût pour augmenter leur diffusion.

On notera enfin que la MCQ est très simple à mettre en œuvre et que l’équipement nécessaire est d’un coût modéré pour un appareil de laboratoire. Il existe sur le marché une large palette d’instruments. Beaucoup permettent de mesurer non seulement la fréquence de résonance des quartz sur plusieurs harmoniques, mais aussi les propriétés viscoélastiques des dépôts (voir .

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - LOUVEL (D.) -   Balances et pesées  -  . Les Techniques de l’Ingénieur, traité Analyse et Caractérisation [Balances et pesées] (2006).

  • (2) - DEAKIN (M.R.), BUTTRY (D.A.) -   Electrochemical applications of the quartz crystal microbalance  -  . Anal. Chem., vol. 61, no 20, pp. 1147A-1154A (1989).

  • (3) - BUTTRY (D.A.), WARD (M.D.) -   In situ interfacial mass detection with piezoelectric transducers  -  . Science, vol. 249, pp. 1000-1007 (1990).

  • (4) - BUTTRY (D.A.) -   Application of the quartz crystal microbalance to electrochemistry  -  . Dans Electroanalytical Chemistry, a series of advances, édité par Bard (A.J.), Marcel Dekker, New York, pp. 1-85 (1991).

  • (5) - BUTTRY (D.A.) -   The quartz crystal microbalance as in situ tool in electrochemistry  -  . Chap. 10 dans Electrochemical interfaces: modern techniques for in situ interface characterization, édité par Abruna (H.D.), VCH, New York (1991).

  • ...

1 Fabricants et Fournisseurs

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1.1 Fabricants et fournisseurs de microbalance

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1.2 Fabricants de quartz

Les quartz sont en général vendus par les fournisseurs de microbalance. Cependant, on pourra consulter le site du fabricant suivant :

International Crystal Manufacturing : ( http://www.icmfg.com)

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