Nanohydrodynamique

L’objectif de la nanohydrodynamique (NHD) est l’étude du comportement hydrodynamique des liquides à l’échelle du nanomètre. A cette échelle, les forces moléculaires et les forces de surface jouent un rôle essentiel. Elles sont responsables d’une dynamique spécifique des liquides, dynamique non observée aux échelles macroscopiques. Les études réalisées dans cadre de la NHD, ont permis de mettre en évidence l’instabilité de « jump to contact ». Celle-ci est observée lorsqu’une surface liquide entre en interaction avec un solide ou un deuxième liquide qui peut être identique ou de nature différente. En deçà d’une distance critique entre les deux surfaces, le liquide saute et mouille le solide ou coalesce avec le deuxième liquide. 

Au de-là de l’intérêt académique, l’étude de l’instabilité de jump to contact nous permet de mieux appréhender et maîtriser la manipulation de gouttes et les écoulements dans les micro et nanosystèmes ; elle nous permet aussi de comprendre les mécanismes de coalescence entre deux gouttes à l‘échelle du nanomètre, mécanismes qui sont généralement décrits dans la littérature par des modèles empiriques.

A partir de l’équation de Young-Dupré modifiée et de l’équation de Navier-Stokes, le comportement statique et dynamique de liquides en champ proche peut être modélisé lorsqu’une sonde sphérique, statique ou mobile, est positionnée au-dessus de la surface d’un liquide.

La déformation du liquide soumis à un potentiel d’interaction de van der Waals a été calculée, ce qui a permis de montrer qu’il existe une distance critique dmin en dessous de laquelle l’instabilité de jump to contact est déclenchée.

Figure : Photos de l’expérience AFM pour la mesure de la force d’interaction entre deux gouttes et entre une goutte et un plan. Distance critique « jump to contact » adimensionnelle en fonction de la constante d’Hamaker.

Ces calculs théoriques ont ensuite été validés expérimentalement grâce à des expériences de microscopie à force atomique (AFM). Ces expériences ont été couplées à des observations par caméra rapide à l’aide d’un microscope optique inversé ont permis la mesure de la force d’interaction entre une sonde solide ou liquide et différents liquides modèles. Ces expériences réalisées en mode « contact » et « frequency modulation », reposent sur la conception originale d’une tête de mesure AFM contenant un miroir à 45°.

Un protocole expérimental a également été mis au point pour permettre le dépôt à l’extrémité du cantilever AFM de gouttes de différente taille et la mesure de leur rayon de courbure moyen afin d’étudier les mécanismes de coalescence à l’échelle nanoscopique.

Ces travaux ont permis de conforter les modèles statique et dynamique de l’instabilité de jump to contact et ont montré que la force d’interaction en champ proche entre deux liquides ou entre un liquide et un solide, est fonction de la déformation localisée des surfaces liquides.