Étude qualitative et quantitative de l'adhésion et du frottement sur surfaces texturées : inspiration des interactions entre insectes et plantes

Quantitative and qualitative investigation of adhesion and friction on textured surfaces : inspiration from insect-plant interactions

• Auteur / Autrice : Charchit Kumar
• Direction : Vincent Le Houérou, Thomas Speck
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomécanique
• Date : Soutenance le 28/05/2019
• Etablissement(s) : Strasbourg en cotutelle avec Albert-Ludwigs-Universität (Freiburg im Breisgau, Allemagne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Marie-Ange Bueno
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jürgen Rühe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Frédéric Restagno, Walter Federle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Traitements de surface

Adhésion (physique)

Frottement

Biomécanique

Mots clés libres

Feuilles végétales

Microstructures

Polymère PDMS

Reproduction

Mécanique du contact

Adhésion

Frottement

Imagerie in situ

Plant leaves

Micro-structures

PDMS polymer

Replication

Contact mechanics

Adhesion

Friction

In-situ imaging

Résumé

L’adhérence et le frottement existent dans de nombreux systèmes techniques ainsi que dans les systèmes naturels. Ces deux phénomènes ont une influence importante sur la durabilité et l’efficacité des dispositifs techniques. Une approche reconnue pour ajuster précisément ces caractéristiques - outre le fait de modifier les propriétés physico-chimiques - est la texturation des surfaces en contact. Les surfaces de feuilles de plantes sont souvent décorées avec des morphologies de surface diverses, et présentent ainsi des fonctionnalités de surface remarquables. Cette thèse visait à réaliser une étude systématique de la mécanique de l’adhérence et du frottement sur des surfaces micro-structurées, répliquées à partir de surfaces de feuilles végétales, en contact avec une sonde qui s’inspire de l’organe adhérent d’un insecte. Les morphologies de surface de trois feuilles végétales différentes ont été directement transférées sur un polymère viscoélastique. Pour ce faire, trois approches différentes de reproduction ont fait l’objet d’une étude approfondie. La microscopie électronique à balayage et la microscopie confocale à balayage laser ont été utilisées pour l'évaluation qualitative et quantitative de la qualité de reproduction. Concernant l’étude de la mécanique du contact, un nano-indenteur a été modifié, permettant d’enregistrer les images in situ des contacts réels. Des tests de pull-off ont été menés afin d’évaluer quantitativement l’effet de la pré-charge sur la force d’adhésion et pour comprendre les modes distincts de collage/décollement. Des essais de frottement ont été effectués afin d’examiner l’effet de la charge normale et de la vitesse de glissement sur la force de frottement. Les résultats ont été discutés en fonction de la topographie de chaque surface.

Adhesion and friction exist in many technical systems as well as in natural ones. Both phenomena have a profound influence on the durability and efficiency of technical systems. A well-recognised way to tune these characteristics - besides altering the physicochemical properties - is the texturing of the interacting surfaces. Inspiringly, plant leaf surfaces are often decorated with diverse surface morphologies, and so show remarkable functionalities. This thesis aimed to perform a systematic investigation of adhesion and friction mechanics on micro-structured surfaces replicated from plant leaves, in contact with a probe, which was inspired from an insect’s adhesive pad. Surface morphologies of three different plant leaves were directly transferred onto a viscoelastic polymer. For this, three different replication approaches were comprehensively explored. Scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy were used for the qualitative and quantitative evaluation of replication ability. For the contact mechanics investigation, a high-resolution nanoindenter was modified, with incorporating a unique feature to record the in-situ real-contact images. Pull-off tests were carried out to quantitatively evaluate the effect of pre-load on adhesion force characteristics and to understand distinct attachment-detachment modes. Friction investigations were performed to examine the effect of normal load and sliding speed on the friction force. Results were discussed with regard to each surface’s topography.