Evaporation, effets Marangoni et dépôts de particules pilotés par chauffage laser

Abstract

Contrôler l’assemblage et le dépôt de particules sur des substrats est essentiel pour créer de nouveaux matériaux et fonctionnaliser des surfaces. L’utilisation de méthodes dites "bottom-up" telle que l’autoassemblage par effet "tâche de café", résultant de l’évaporation d’une suspension de particules, semble prometteuse. Cependant, ces méthodes restent souvent limitées à des géométries relativement simples de dépôt (lignes, anneaux). Le but de cette étude est de dépasser ces limitations en proposant une nouvelle approche, versatile et sans contact, qui permettrait d’assembler et d’organiser de façon dynamique des micro/nano particules. Dans ce travail de thèse, nous utilisons un laser infrarouge afin de chauffer localement une goutte d’une suspension aqueuse déposée sur une lame de verre, dans le but de créer un gradient thermique induisant un effet Marangoni. En plus des effets dominants de l’évaporation aux bords de la goutte, une zone de recirculation apparaît et concentre les particules autour de la zone de chauffage laser. Nous avons analysé expérimentalement les effets de plusieurs paramètres physico-chimiques : composition du solvant, géométrie de la goutte, paramètres du laser sur la zone de recirculation Marangoni et la taille du dépôt final. Nous avons également caractérisé, par une méthode de thermographie infrarouge, l’amplitude et l’évolution du champ de température induit par le laser. Des modèles reliant les aspects thermodynamiques et hydrodynamiques du système permettent de rendre compte des résultats observés. L’utilisation de solutions plus concentrées a également permis de mettre en évidence la formation de dépôts tridimensionnels induits par une instabilité de flambage. Enfin, nous montrons qu’il est possible de structurer la forme du dépôt final en modifiant celle du faisceau laser. L’utilisation d’un chauffage laser ouvre donc une nouvelle voie vers la production de dépôts structurés de micro/nano particules à l’échelle submillimétrique.