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Un polarimètre est un appareil de mesure chimique qui permet de connaitre soit la concentration soit la nature d'une solution. Pour ce faire on utilise la loi de Biot : α=[α].l.c qui donne l'expression du pouvoir rotatoire en fonction de la concentration de la solution et du pouvoir rotatoire spécifique de la solution. Pour la construction de ce dernier, nous devions tout d'abord comprendre les principes de lapolarisation. Dans un second temps, nous avons réfléchi à comment adapter ce principe de façon à l'utiliser le plus simplement possible. Cependant la construction de notre projet est passée par de nombreuses étapes:

La construction du groupe se fit rapidement et facilement. Nous étions presque tous dans la même classe, ce qui nous a permis de créer une première affinité. De ce fait, nous avions des horaires de libre en commun. Certaines personnes se connaissaient déjà grâce au premier semestre.

On s'est dit qu'on serait complémentaire car chacun possédait un point fort ce qui a facilité la répartition des tâches. Nous avons trouvé une facilité à communiquer par WhatsApp (application mobile qui intègre un système de message instantané via internet) en créant une conversation avec tous les participants du projet. Ce qui a permis à chacun de ne rater aucune nouvelle.

Au début, nous sommes partis sur le projet du capteur à gaz, ce qui était plus simple à construire a priori d'après les professeurs à la première séance de présentation des différents projets. Cependant, nous étions attirés par le projet du spectrophotomètre et du polarimètre en deuxième choix pour l'usage de la lumière. Malheureusement, le capteur à gaz a été choisi plus vite par un autre groupe, il nous restait donc le spectrophotomètre et le polarimètre. Afin de trouver le sujet qui nous correspondait le mieux, nous avons fait des recherches préliminaires. Finalement nous avons opté pour le polarimètre qui était plus intéressant d'un point de vu construction par rapport au spectrophotomètre et, représentait un défi.

Nous avons tout d’abord réalisé un diagramme de Gantt pour nous répartir les tâches et les planifier dans le temps.

Diagramme de Gantt

Pour nous répartir les tâches, nous avons fait en fonction des affinités de chacun, il y avait différents types de tâches :

- la programmation avec Arduino dont s’occupait principalement Bastien

- la modélisation des supports à l’aide d’OpenSCAD, des imprimantes 3D et de la découpeuse laser réalisée par Sandrine, Kim-Laï et Anissa

- les différents tests sur les composants (laser, photorésistance, photodiode …) le plus souvent réalisé par Tanguy

- la communication, alimenter le wiki régulièrement à l’aide de photos, décrire notre avancée, nos difficultés, Anissa était responsable mais tout le groupe y a contribué.

Nous avons commencé par faire des recherches en groupe pour savoir ce qu’était la polarisation et comment nous pouvions en construire un le plus simplement possible. Nous avons ensuite commencé à tester les différents composants et à les programmer avec Arduino, nous avons ensuite commencé à modéliser les supports pour les imprimer ensuite. Nous avons eu quelques problèmes de commande (cuve) et d’impression des supports qui nous ont retardé mais nous avons réussi à nous rattraper. Nous avons ensuite trouvé un afficheur LCD que Bastien a réussi à programmer mais qui n’a plus marché une fois dans le boîtier. Nous étions un peu justes en temps pour régler le problème mais dans l’ensemble, nous avons bien respecté le planning.

Le polarimètre, dans son principe, était facilement compréhensible. Cependant, le défi technique auquel nous étions confrontés était tout autre : partir de rien et sortir un objet autonome était un réel challenge. Dans cette partie, je vais donc introduire nos choix techniques, les justifier et les détailler, tant dans leurs principes que dans leurs intérêts.

Comme il a été annoncé en introduction, le polarimètre permet de mesurer l’activité optique d’une solution pure active, et de comparer ce résultat entre deux énantiomères par exemple. En effet, une solution active peut modifier le plan de vibration d’une onde lumineuse, dévier l’orientation du vecteur de ce rayon lumineux. L’angle de déviation est appelé pouvoir rotatoire. En se basant sur ce principe, la loi de Biot nous donne le lien entre angle rotatoire d’une solution (mesuré), pouvoir rotatoire spécifique propre à chaque molécule (connu), concentration du milieu et conditions expérimentales (α = [α].l.c). En chimie expérimentale, cet outil s’avère donc très efficace pour déduire la concentration d’une solution de molécule connue ou la nature d’une molécule en solution en connaissant sa concentration. Mais sur quel principe baser notre appareil ? Les professeurs nous ont apporté la solution ! Le polariseur. Cette feuille transparente laisse passer plus ou moins de lumière en fonction du plan de vibration de l’onde lumineuse la traversant. En plaçant la solution entre un faisceau laser polarisé (plan de vibration unique) fixe, une feuille polarisante et un capteur, il est aisé de mesurer les différences d’intensité lumineuse et donc de déduire le pouvoir rotatoire de notre solution en effectuant une rotation de la feuille polarisée. Simple. En théorie.

Notre instrument de mesure a donc dû s’articuler sur une base de 4 éléments indiscutables : une source lumineuse (laser), une feuille polarisante, un moteur et un capteur (photo résistance).

Notre projet a ainsi débuté sur cette première idée.

Le plus dur fut de tout coordonner et d’intégrer l’ensemble dans un format compact, pour très peu d’argent.

• *Choix des composants, coordination des éléments et programmation :
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Le matériel le plus simple afin de coordonner des composants, c’est la carte Arduino, permettant de programmer des actions simples à des outils ou de récupérer des informations provenant de capteurs. Dans un premier temps, nous avons donc effectué des tests en essayant de contrôler un servomoteur, choisi pour faire tourner la feuille polarisante. Les résultats furent satisfaisants, la feuille polarisante étant accrochée directement au servomoteur, nous pouvions lui faire effectuer une rotation de 180°, 1 degré par 1 degré, ce qui nous semblait au départ assez précis. Ajoutons à cela que le servomoteur fut choisi pour sa simplicité d’utilisation et de contrôle, contrairement à un moteur pas à pas, nécessitant un protocole plus lourd pour être dirigé. Le servomoteur est également moins cher.

La photo résistance quant à elle fut utilisée pour nous renvoyer une valeur d’intensité lumineuse, après que le laser ait traversé la solution et la feuille polarisante. Une mesure est prise à chaque fois que la feuille polarisante tourne d’un degré. Cependant, cette photo résistance fut abandonnée deux semaines avant le rendu final : beaucoup moins fiable et précise qu’une photodiode, il était également plus difficile de pointer avec précision le laser sur celle-ci. Le groupe polarimètre de l’année dernière nous a donc offert leur photodiode.

Les tests de récupération de l’intensité lumineuse en fonction de la rotation de la feuille polarisante furent bons. Cependant, ces données étaient récupérées sur la plate-forme Arduino elle-même. Nous avons donc pris la décision d’incorporer dans notre montage un écran LCD à 8 bits de données. Ce fut sans nul doute la partie la plus délicate du développement de notre polarimètre. Les fils utilisés se décrochaient sans cesse de la planche de connexion et de l’écran, le potentiomètre pour régler l’écran était également très peu fiable. Nous avons passer environ 3 semaines à tenter de régler cet écran.

Le point positif fut cependant la rapidité à laquelle nous avons mis à élaborer le programme : nous avons réussi à intégrer dans celui-ci l’écran LCD, le servomoteur et la photodiode. Ce programme est assez simple dans son principe : il ordonne au servomoteur de tourner la feuille polarisante sur 180°. Pendant ce temps là, la photodiode renvoie une donnée sur l’intensité lumineuse à chaque degré. A la fin de la rotation, l’intensité maximale est récupérée ainsi que l’angle de rotation de la feuille, propre à cette intensité maximale. L’angle, qui est le pouvoir rotatoire de la solution, est ensuite renvoyé à l’écran. La feuille retourne à sa position de départ et l’analyse recommence.

Le programme est rédigé ci-dessous :

• *Intégration des éléments dans la boîte, alimentation, interrupteur et supports : Une fois que tous les composants étaient liés entre eux, il fut nécessaire de trouver un boîte pour tout contenir, et facilement modifiable. Nous avons choisi un coffret de bouteille de whisky. Composé de bois et d'une ouverture sur le dessus pratique, il est de forme rectangulaire assez longue et nous donne tout juste l’espace pour tout y installer. Son coût est variable, suivant la qualité du whisky choisi ! Nous avons collé la carte Arduino sur une des faces latérales intérieures, tout comme la planche de connexion. Nous avons également percer un rectangle sur cette même face pour y installer notre écran LCD. Cependant, il nous a fallu changer d’écran. A la base, les connexions se faisaient sous la face visible de l’écran, il a donc fallu trouver un écran avec des connexions derrière, pour relier les fils aisément à la carte Arduino. Des supports ont également été imprimés en 3D pour supporter la cuve, le laser, la photodiode et le servomoteur. Ils sont tous collés au fond de la boite, sauf le support cuve collé sur l’autre face latérale intérieure. Le tout est parfaitement aligné. L’alimentation est basée sur une pile 9 volts reliée en série à interrupteur et à la carte Arduino, pour plus de facilité lors du démarrage de l’appareil et de style. Améliorations à apporter :
• *

A cause de la limite de temps, nous n’avons pas pu tester notre appareil en conditions réelles. De plus, notre nouvel écran LCD s’est décidé à ne pas fonctionner, alors que tout marchait avec l’ancien. Il faut donc le remplacer. Notre boîte semble également ne pas se fermer entièrement : un filet de lumière passe par les fentes du couvercle. Il faut donc y ajouter un système de joints pour la rendre étanche à la lumière. De plus, nous avons une hésitation sur notre programme. En vue des résultats des variations lumineuses du laser à travers le polariseur, il serait préférable dans notre programme de trouver l’angle propre au minimum d’intensité lumineuse, et non au maximum.

Courbe d'intensité lumineuse avec feuille polarisante :

Toutes ces corrections sont mineures et réglables en quelques minutes, mais précieuses pour le fonctionnement optimal de notre polarimètre.

Pour obtenir une plus grande précision encore, nous aurions pu utiliser un moteur pas à pas et une cuve plus longue. Mais le programme aurait été plus lourd et un système d'engrenages aurait été nécessaire, ainsi qu'une boîte beaucoup plus grande. Bref, il nous aurait encore fallu plusieurs mois de travail…

Lors de la conception et de la construction du polarimètre nous avons dû faire face à plusieurs difficultés.

Tout d’abord, notre premier obstacle était de bien comprendre le fonctionnement d’un polarimètre car nous n'en avions jamais utilisé et ignorions donc les caractéristiques de cet appareil. Ensuite, concernant la gestion de la programmation, il a fallu comprendre comment utiliser l’arduino. En effet,ce dernier nous était totalement inconnu et la programmation de celui-ci, en C+, fut compliquée car nous n’avions jamais codé avec ce langage.

Pour commencer la construction du polarimètre, il nous a fallu concevoir et imprimer en 3D les supports qui permettront de maintenir les composants à la bonne place. La difficulté, ici, a été de créer pour qu’ils s’adaptent parfaitement à la forme des composants. Comme nous prenions exactement les mesures de ceux-ci, ils ne rentraient jamais dans leur support. C’est pourquoi il a fallu faire des supports plus larges pour les composants.

Nous avons également choisi de changer notre capteur de lumière en passant d'une photo résistance à une photodiode car après de nombreux tests, la précision de la photorésistante n'était pas suffisante. Ce changement a engendré un retard car il fut effectué dans la dernière ligne droite de finalisation du projet.

Au moment de l’assemblage du polarimètre, il fallait rassembler tous les éléments dans une boîte afin de créer le polarimètre. Cependant nous avons voulu utiliser une boite déjà créée au lieu de la faire par découpe laser, pour gagner du temps. Ainsi nous avons du nous adapter a ces dimensions au lieu d’en faire nous même. Par exemple, cette adaptation nous a obligé à raccourcir le fil de la photodiode. Parallèlement, nous devions trouver une cuve de dimensions 8*3*4 cm pour avoir une précision optimale. Nous n’avons pas pu en trouver à l'UPMC. Il a donc fallu en trouver une sur internet puis la commander mais certains sites étaient en rupture de stock. Ainsi nous l’avons reçu seulement une semaine avant les délais imposés. De ce fait s’il y avait eu un problème sur la cuve il aurait été difficile de s’en procurer une autre dans les délais.

En définitif, la plupart de ces problèmes découlaient d’un manque d’organisation au niveau du temps. En effet, au début du projet, le travail n’avançait pas très vite. Ainsi, à un moment, il nous a fallu produire un maximum de travail en peu de temps. Une fois l'assemblage terminé, il nous était difficile de travailler en même temps ce qui compliquait la tache. Cela a donc engendré par exemple un problème au niveau de l’écran LCD qui nous fallait juste changer si nous en avions eu le temps. De plus, nous avons du utiliser du matériel personnel car ils étaient introuvables au Fablab tel que de la super-glue ou encore une pile 9V. Cela a également ralenti la fin de notre projet et augmenté le coût de ce dernier.

La construction de ce polarimètre fut une épreuve dont chaque obstacle nous a permis de progresser jusqu'à la finalisation de notre projet. En passant par la formation du groupe par affinité ou pour raison pratique, la répartition des taches selon les points forts de chacun, l'apprentissage de divers procédés techniques ou encore les nombreuses difficultés que nous avons dû résoudre, la construction de notre polarimètre restera une épreuve enrichissante d'un point de vue apprentissage technologique, informatique mais également sur le travail en groupe et le respect d'un délai pour un projet. Et malgré un problème technique sur l'écran LCD, nous avons réussi à construire un polarimètre pour une centaine d'euro environ notamment grâce a notre travail de simplification du système et à la récupération de pièces.

Bastien: Le projet du polarimètre ne m'enchantait guère : n'ayant jamais travaillé avec cet outils, en développer un ne m'intéressait pas. Le titrimètre me semblait beaucoup plus utile, car il m'aurait permis au lycée d'éviter de longues séances de TP de titrimétrie ! Cependant, ma première impression n'était pas la bonne. Le polarimètre, objet assez complexe, m'a permis d'acquérir de nouvelles connaissances sur les propriétés des molécules en stéréochimie. Le projet d'ARE en lui même fut également passionnant : travailler en groupe pour mener à bien le développement d'un véritable instrument physique et utile fut quelque chose de nouveau. C'est bien ma première expérience dans le domaine. Nous avons tous vécu les problèmes que peuvent vivre les ingénieurs dans leur quotidien: manque de temps, problème de fournisseurs… L'ARE Fablab est bien le seul ARE capable de nous procurer une telle expérience. L'apprentissage de nouvelles plateformes et outils est également très utile (Arduino, capteurs) et me permettra sans doute de revenir au Fablab pour des projets personnels ou collectifs.

Tanguy: Ce projet m'a permis d'apprendre le travail en groupe pour un projet, donc forcément sur une longue période. Il a également fait ressortir mon aspect dirigeant que je devrais certainement apprendre à restreindre afin d'obtenir peut être une meilleur cohésion dans mes futurs groupes de travail. Cependant il faut préciser que l'entente dans le groupe fut toujours bonnes notamment grâce a la division des tâches. En plus de cela, je ressors avec une réel expérience en thermes d'autonomie ajouter aux différents procédés technologiques (programmation sous Arduino, modélisation 3D …)apprit durant cette UE qui me serviront obligatoirement dans le monde professionnel.

Sandrine: Ce projet m'a permis d'apprendre à travailler avec des personnes que je ne connaissais pas du tout. Il m'a aussi permis de découvrir le laboratoire Pmclab où j'ai également découvert de nouveaux outils que je n'ai jamais utilisé auparavant (imprimantes 3D, fer à souder, découpeuse laser, perceuse verticale, Arduino …). Je suis satisfaite car l'ambiance dans le groupe était bonne et j'ai pris plaisir à réaliser l'objet avec mes collègues . Ce projet a été pour moi la première fabrication d'un objet concret et qui marche. Cette première expérience au Pmclab m'a donné envie de me lancer dans d'autres projets.

Kim-laï: Ce projet d'ARE m'a apporté plusieurs choses. Tout d'abord le travail en groupe qui a été rendu facile et agréable grâce à une bonne entente et une très bonne répartition des taches. J'ai pu également apprendre à manipuler et à travailler sur du matériel de très haute qualité , qui permet un rendu extrêmement précis, comme l'imprimante 3D ou l'arduino. Ces facteurs m'ont donné le goût du travail en équipe et de la réalisation d'un projet, de sa conception à sa fabrication. C'était donc une très bonne expérience, qui me donne une fois de plus envie de continuer dans cette voie.

Anissa: La fabrication d’un polarimètre fut une très bonne expérience, le travail de groupe était très intéressant, il y avait une bonne ambiance de travail, nous nous sommes facilement répartis les tâches. J’ai appris à manipuler différents appareils comme l’imprimante 3D ou la découpeuse laser mais aussi les bases de la programmation avec Arduino. Je ne pensais pas au début que notre projet serait aussi abouti mais en s’y mettant tous ensemble, je me suis rendue compte que c’était possible. Il ne manquait pas grand chose pour que notre polarimètre fonctionne correctement mais je suis satisfaite du travail réalisé, cela montre jusqu’où on peut aller et les performances du travail en groupe.

Nous remercions nos professeurs Vincent DUPUIS et Christian SIMON, ainsi que toute l'équipe du Fablab.