Nanomécanique et dynamique des polymères par microscopie de force en contact intermittent

Abstract

Ce travail est une étude des propriétés de matériaux polymères à l'échelle du nanomètre par les modes dynamiques de modulation d'amplitude dit "Tapping" et de modulation de fréquence dit "Non-contact résonant" de la microscopie à force atomique. Il débute par la détermination des origines physiques du contraste d'images obtenues sur des surfaces de coplymères triséquencés. Ce contraste se révèle être dû aux variations nanométriques des propriétés viscoélastiques. L'étape suivante est une évaluation des constantes physiques des deux nanophases du copolymère triséquencé par l'analyse des courbes d'approche-retrait en modulation d'amplitude. Pour cela nous décrivons les effets sur l'oscillateur des interactions conservatives et non-conservatives entre la pointe et le polymère. Puis un résultat expérimental charnière montre qu'en mode modulation d'amplitude avec un facteur de qualité Q suffisamment élevé un matériau de raideur locale très faible peut apparaître dur pour l'oscillateur, si bien que sa structure non-déformée peut être déterminée. Ce durcissement apparent implique une réduction de l'aire de contact pointe-surface et par conséquent un Q élevé peut conduire à une amélioration de la résolution sur les matériaux mous en mode modulation d'amplitude. De plus ces résultats montrent que la variation du facteur de qualité Q permet d'accéder sélectivement aux propriétés mécaniques ou topographiques. La troisième et dernière partie est une étude de la dynamique dépendante d'échelle d'un polymère fondu enchevêtré, le polyisoprène ou caoutchouc d'Hévéa. Cette étude utilise le mode modulation de fréquence avec un facteur de qualité Q très élevé. Une transition entre deux types de mouvements moléculaires de temps de relaxation très différents est créée et détectée par l'oscillateur. La transition entre une relaxation moléculaire locale de type Rouse et une relaxation par reptation forcée amène un changement radical de l'énergie à fournir pour maintenir une amplitude d'oscillation constante de la nanopointe.