Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


Accueil > Actualités

Thèse Caroline Mortagne


Étude de la dynamique des liquides par microscopie à sonde locale

Soutenance vendredi 27 octobre à 10H30
salle de conférences du CEMES

 

 

Cette thèse, réalisée au CEMES et à l’IMFT, décrit le développement de méthodes expérimentales et de modèles théoriques permettant d’étudier les liquides à petite échelle, au moyen d’un microscope à force atomique. 

 

Composition du jury

  • Christian Frétigny, Directeur de recherche, rapporteur
  • Alessandro Siria, Chargé de recherche, rapporteur
  • Thomas Bickel, Maître de conférences, examinateur
  • Sylvie Cohen-⁠Addad, Professeur des universités, examinatrice
  • Olivier Masbernat, Directeur de recherche, examinateur
  • Michael Benzaquen, Chargé de recherche, membre invité
  • Thierry Ondarcuhu, Directeur de recherche, directeur de thèse
  • Philippe Tordjeman, Professeur des universités, directeur de thèse

 

Résumé

L’étude de la dynamique interfaciale des liquides à l’échelle du nanomètre est cruciale pour la compréhension de nombreux phénomènes biologiques et industriels. Pour aborder cette question, nous étudions l’interaction en champ proche d’une sonde et de liquides peu vis- queux. La thèse s’articule autour de deux grands axes : le premier s’intéresse à la déformation de l’interface liquide lorsqu’une pointe est approchée et à l’instabilité hydrodynamique du ”jump-to-contact” qui en résulte. Le second, plus intrusif, décrit la réponse hydrodynamique d’un liquide soumis à l’oscillation d’un nanocylindre (R ∼ 20 − 100 nm) partiellement immergé. Les mesures sont réalisées par microscope à force atomique (AFM), en mode modulation de fréquence (FM) qui permet de mesurer la force exercée sur la sonde ainsi que les composantes conservatives et dissipatives de l’interaction pointe-liquide.

Une première série de mesure est réalisée sur différents liquides modèles avec un AFM couplé à une caméra rapide via un microscope optique inversé. Avant le mouillage de la sonde, les courbes de spectroscopie de force et FM mettent en évidence la déformation de l’interface liquide sur des échelles nanométriques, pour une grande gamme de tailles de sonde (de 10 nm à 30 µm). L’analyse des mesures expérimentales avec le modèle théorique récemment développé par René Ledesma-Alonso permet de déterminer la distance critique dmin en dessous de laquelle l’interface se déstabilise et mouille irréversiblement la pointe (”jump-to-contact”). Un excellent accord est trouvé entre le modèle théorique et les mesures FM. La deuxième série de mesure s’intéresse à l’immersion partielle de pointes AFM cylindriques. Les courbes de spectroscopie FM montrent qu’une certaine quantité de liquide, située dans la couche visqueuse, est entraînée par l’oscillation de la pointe. On mesure simultanément la friction exercée sur la pointe et la masse de liquide ajoutée au système, qui est directement reliée à l’extension du champ de vitesse. Un modèle analytique basé sur la résolution de l’équation de Stokes rend compte quantitativement de l’ensemble des résultats expérimentaux.

La dernière série de mesure est réalisée avec des sondes cylindriques spécialement conçues pour l’étude de la dynamique de nanoménisques. Ces sondes comportent des défauts topo- graphiques annulaires dont l’épaisseur varie entre 10 et 50 nm. Les mesures montrent une divergence du coefficient de friction aux petits angles de contact qui est bien reproduite par un modèle théorique basé sur l’approximation de lubrification. La localisation de la dissipation d’énergie au voisinage de la ligne de contact et les propriétés d’ancrage du ménisque sont également discutées.

Les expériences originales développées dans cette thèse démontrent ainsi la capacité de l’AFM à étudier quantitativement les liquides à l’échelle nanométrique et ouvrent la voie à une étude systématique des processus de dissipation au sein de liquides confinés, et notamment au voisinage d’une ligne de contact en mouvement.