Nano-rhéologie aux interfaces molles sondées par microscope à force atomique

Abstract

Des progrès récents dans les études expérimentales et théoriques ont montré que l'écoulement d’un liquide à l'échelle micro/nano se comporte différemment de celui à l'échelle macroscopique. À l'échelle microscopique, les propriétés des surfaces sont prédominantes pour le comportement d'écoulement proche des parois. Pour un confinement élevé, non seulement les propriétés physico-chimie des parois sont importantes, mais leur comportement élastique doit également être pris en compte. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'AFM dynamique à sonde colloïdal pour étudier l’écoulement confiné sur des surfaces molles (bulles d'air et échantillons PDMS) et nous avons montré que:• A l'interface air-eau, la présence de faible trace de tensioactifs modifie le flux à proximité des interfaces de manière drastique, ce qui conduit à une réponse viscoélastique. Les forces visqueuses et élastiques agissant sur la sphère sont extraites de la mesure du mouvement de la sphère. En raison de la contamination par l'agent tensioactif, la force visqueuse présente un passage d’une condition aux limites non-glissante sur la bulle à une condition aux limites de glissement parfait en augmentant la fréquence d’oscillation de la sphère. La force élastique apparaît également avec une valeur comparable à la force visqueuse.• A faible distance, la pression visqueuse induite par la vibration de la sonde colloïdale déforme la surface de la bulle et donne lieu à l'interaction visco-capillaire. Une excitation par bruit thermique ou une excitation acoustique externe sont utilisées pour induire les vibration la sonde AFM. Pour expliquer nos mesures, nous avons développé un modèle simplifié basé sur un ressort-dissipateur en série et nous avons également effectué la résolution numérique de l'équation de Navier-Stokes combinée à l'équation de Laplace-Young. L'ajustement de nos résultats expérimentaux nous permet de mesurer la tension superficielle de l'interface de la bulle sans contact.• Le levier AFM est un outil puissant pour sonder le mouvement thermique de l'interface de la bulle hémisphérique. Le spectre de telles oscillations thermiques nanométriques de la surface de la bulle présente plusieurs pics de résonance et révèle que la ligne de contact de la bulle hémisphérique est fixée sur le substrat. La viscosité de surface de l'interface due à la contamination par le tensioactif est obtenue à partir de l'analyse de ces pics.• Une force de portance élasto-hydrodynamique agit sur une sphère se déplaçant à proximité et le long d'un substrat mou dans un liquide visqueux. La force de portance est sondée en fonction de la taille de l’écoulement, pour diverses vitesses de la sphère, viscosités du liquide et rigidité de l'échantillon. À grande distance, les résultats expérimentaux sont en excellent accord avec un modèle développé à partir de la théorie de la lubrification. À petite distance, une saturation de la force de portance est observée et une loi d'échelle pour cette saturation est donnée et discutée.