Etude de nanoménisques par AFM et MEB : hydrodynamique de la couche visqueuse, élasticité de l'interface et dynamique de la ligne de contact

Nanomeniscus studies by AFM and SEM : hydrodynamics of the viscous layer, elasticity of the interface and dynamics of the contact line

• Auteur / Autrice : Julien Dupre de baubigny
• Direction : Thierry Ondarçuhu, Marc Legros
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 11/12/2014
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la Matière (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (Toulouse ; 1988-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : CEMES-CNRS NanoSciences Group
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Ondarçuhu, Marc Legros, Cecile Cottin-Bizonne, Philippe Tordjeman
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ludovic Bellon, Christophe Clanet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique à balayage et en transmission

Microscopie à force atomique

Nanofluides

Fluidique

Mots clés libres

Mouillage

Ménisque

Nanohydrodynamique

AFM

MEB

Capillarité

Wetting

Capillarity

Meniscus

Nanohydrodynamics

AFM

SEM

Résumé

Le développement récent de la nanofluidique pose de nombreuses questions concernant les lois et longueurs caractéristiques qui régissent l’hydrodynamique et le mouillage à l’échelle du nanomètre. Pour aborder ce sujet, nous avons utilisé des techniques de microscopies avancées en sondant l’interface liquide/air à l’aide de pointes non conventionnelles. L’AFM utilisé dans le mode oscillant modulation de fréquence (FM-AFM) donne accès, de manière indépendante, à la force exercée par le liquide pendant une approche-retrait, et aux composantes conservatives et dissipatives de l’interaction pointe-ménisque. Des expériences complémentaires menées en microscopie électronique (MEB) permettent de visualiser le nanoménisque créé et de mesurer la force capillaire résultante. La couche visqueuse entraînée par l’oscillation de la pointe est d’abord étudiée. Le coefficient de friction et la masse ajoutée sont mesurés par FM-AFM en fonction de la viscosité des liquides et de la fréquence d’excitation. Un modèle basé sur une description classique rend compte quantitativement de l’ensemble des résultats expérimentaux permettant ainsi une évaluation du champ de vitesse entraîné par la nanosonde.Les méthodes développées ont permis d’étudier les caractéristiques de l’interface liquide. Le profil du nanoménisque est modélisé et validé grâce aux observations MEB. La raideur du ménisque mesurée expérimentalement par FM-AFM et décrite théoriquement démontre une dépendance logarithmique avec l’extension latérale du ménisque.Des résultats préliminaires sont également obtenus avec des pointes de carbone sur lesquelles glisse la ligne de contact, donnant accès à la dissipation dans le nanoménisque et à la ligne de contact, ainsi qu’à l’ancrage sur des défauts uniques, un des problèmes ouverts de la physique du mouillage.Cette étude démontre que le FM-AFM et le MEB sont des outils pertinents pour sonder quantitativement les propriétés des liquides à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie à des études systématiques sur le mouillage à l’échelle nanométrique

The recent development of nanofluidic raises many issues about laws and characteristic lengths governing hydrodynamics and wetting at the nanometer scale. To address this issue, we used advanced microscopy techniques to probe the liquid/air interface with unconventional tips. The oscillating frequency modulation mode (FM-AFM) of the Atomic Force Microscope (AFM) gives independent access to the force applied by the liquid during an approach-withdrawal ramp, and to the conservative and dissipative components of the tip-meniscus interaction. Additional experiments conducted by electron microscopy (SEM) helped visualizing the shape of nanomeniscus to measure the resulting capillary force.The viscous layer set in motion by the oscillation of the tip is studied first. The friction coefficient and the added mass are measured by AFM-FM as a function of the viscosity of the liquid and of the excitation frequency. A model based on a classical description reflects quantitatively all experimental results enabling an evaluation of the velocity field caused by the nanoprobe.The developed methods also served to study the properties of the liquid interface. Nanomeniscus profile is modeled and validated through SEM observations. The stiffness measured experimentally by FM-AFM and described theoretically shows a logarithmic dependence with the lateral extension of the meniscus.Preliminary results are also obtained with carbon tips on which the contact line slides, giving access to the energy dissipation in the nanomeniscus and at the contact line, as well as to the anchoring of single defaults, an open issue of wetting physics.This study demonstrates that FM-AFM and SEM are relevant tools to probe quantitatively the properties of liquids at the nanoscale, opening the way for systematic studies on wetting at the nanoscale