Mesures de frottement et d'élastohydrodynamique à l'aide d'un microscope à force atomique

Abstract

L’étude de l'écoulement des fluides à l'échelle nanométrique a connu une progression significative en raison de son applicabilité potentielle dans différents domaines, notamment les matières molles, les sciences médicales, la mécanique et l'ingénierie. Dans ce travail, nous avons utilisé un microscope de force atomique en mode dynamique pour étudier les propriétés rhéologiques de films de polymères minces et le frottement lubrifié entre microsphères de polystyrène.Nous avons rapporté la mesure sans contact des propriétés rhéologiques viscoélastiques d'un film mince de polymère. La réponse mécanique est mesurée en fonction de l'épaisseur du liquide pour différentes fréquences d'oscillation. Nos mesures révèlent un couplage élastohydrodynamique entre l’écoulement induit par une sonde colloïdale oscillante et la déformation viscoélastique du film de polymère. Nous avons obtenu les valeurs modules de perte et de stockage du film et les données sont décrites quantitativement par un modèle de lubrification viscoélastique. La dépendance en fréquence des modules de perte du film PDMS est en bon accord avec la théorie Chasset-Thirion. Nos mesures démontrent que les méthodes de sonde colloïdale sans contact sont des outils puissants qui peuvent être utilisés pour sonder les interfaces logicielles sur une large gamme de fréquences.La deuxième partie de la thèse est consacrée à la rhéologie des suspensions non-browniennes avec un focus sur le rôle du frottement interparticulaire dans le comportement de cisaillement. Dans ce but, l'AFM est utilisé pour effectuer des mesures de coefficient de frottement entre des microsphères de polystyrène afin de mettre en évidence le lien étroit entre les propriétés de frottement microscopiques et les propriétés rhéologiques macroscopiques des suspensions. Les forces normales et de friction entre deux microsphères qui se rapprochent sont mesurées en enregistrant respectivement la déflection et la torsion produites dans la sonde colloïdale AFM. Le coefficient de frottement entre particules diminue avec l'augmentation de la charge, ce qui est contraire au comportement des corps en contact macroscopiques. Le coefficient de frottement mesuré est ensuite introduit dans le modèle proposé par Lobry et al pour prédire la viscosité des suspensions constituées par ces particules de polystyrène. Le bon accord entre la viscosité mesurée au rhomètre et la valeur prédite par le modèle Lobry montre que la loi de frottement microscopique régit la viscosité macroscopique des suspensions.