Dynamique de la ligne de contact à l'échelle nanoscopique

Lorsqu’une goutte est déposée sur une surface, les trois phases solide, liquide et air se re­ joignent au niveau d’une ligne : la ligne de contact. La physique de cette ligne est un problème multi-échelle complexe qui nécessite de coupler effets hydrodynamiques et mécanismes molécu­laires. La composition chimique de la surface et les défauts de surface au niveau de la ligne de contact ont ainsi un impact sur le comportement macroscopique de la goutte. L’étude de la dynamique de la ligne à l’échelle du nanomètre prend alors tout son sens. Pour aborder ce sujet, nous utilisons un montage expérimental basé sur le trempage à une interface liquide d’un nanocylindre dont le diamètre varie de 15 à 1000 nm selon les expériences. Cette nanofibre est manipulée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Cette thèse s’articule ainsi autour de l’utilisation de deux modes de cet outil : le mode contact pour la mesure de la force capillaire et le mode modulation de fréquence (FM) pour la mesure de la dissipation. Des simulations numériques mises en œuvre à l’aide du logiciel libre Surface Evolver permettent une meilleure interprétation des données expérimentales.

De expériences réalisées en mode contact ont permis de mettre en évidence un nouveau phénomène physique de désorption moléculaire. Nous avons montré que l’énergie de surface d’une nanofibre évolue en fonction du nombre de trempages successifs dans un liquide, alors que la topographie reste strictement inchangée. Une évolution contraire est observée lorsque la fibre est laissée à l’air libre. La réalisation d’un grand nombre d’expériences permet de proposer un mécanisme basé sur l’adsorption sur la pointe de contaminants moléculaires atmosphériques et de leur désorption par trempage clans le liquide. Des expériences spécifiques ont démontré que seules les zones balayées par la ligne de contact sont nettoyées. La désorption moléculaire a clone lieu au passage de la ligne de contact, ce qui est justifié par le fait que les distorsions de la ligne de contact à l’échelle nanométrique génèrent une énergie capillaire du même ordre de grandeur que l’énergie d’adsorption des polluants. Une désorption de polluants atmosphérique est alors effective après une quinzaine de trempages. Ce nombre caractéristique de trempage dépend des molécules adsorbées et pas du liquide utilisé ni de la vitesse de la ligne de contact, ce qui est compatible avec le mécanisme capillaire proposé. Cependant, ce mécanisme reste à être précisé, notamment par la réalisation d’expériences en atmosphère contrôlée et de simulations de dynamique moléculaire. D’autre part, ce nouveau type de désorption moléculaire ouvre de nouvelles perspectives pour le nettoyage à l’échelle moléculaire.

D’autres expériences utilisant le mode FM ont permis de comprendre l’impact d’un défaut topographique sur le déplacement d’une ligne de contact. En effet, la présence d’un défaut génère une signature particulière sur les combes de force obtenues en mode contact et un pic caractéristique sur les courbes de dissipation au-delà d’une amplitude d’oscillation seuil. L’énergie dissipée dépend des tensions de surfaces des différentes interfaces et de la topographie des défauts. Une observation importante est que l’énergie dissipée ne dépend pas de la vitesse de la ligne de contact et donc de mécanismes visqueux comme suggéré par des modèles. Ainsi, un mécanisme de dissipation indépendant de la viscosité a été mis en évidence. Parallèlement, les simulations numériques ont permis d’estimer la taille des défauts présents sur la nanofibre utilisée.

L’utilisation d’un microscope AFM dans le cadre de cette thèse a permis de mieux com­ prendre les interactions de la ligne de contact avec des défauts de surface ou les molécules qui y sont adsorbées. Ces études à l’échelle nanonétrique apportent ainsi un éclairage nouveau sur la dynamique de la ligne de contact et peuvent amener à revisiter sa description.