Les forces de surface dynamiques pour l'investigation mécanique des surfaces molles

Dynamic surface forces for mechanical investigation of soft surfaces

• Auteur / Autrice : Samuel Leroy
• Direction : Elisabeth Charlaix
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 03/12/2010
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures (Villeurbanne)
• Jury : Président / Présidente : John Hinch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Etienne Barthel, Éric Perez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrodynamique

Dynamique des fluides

Lubrification hydrodynamique

Lubrification élastohydrodynamique

Mots clés libres

Sonde fluide

Liquides confinés

Machine à forces de surface (SFA)

Propriétés mécaniques

Friction fluide

Modules élastiques

Membranes

Films minces d'élastomère

Fluid probe

Confined liquids

Surface Force Apparatus (SFA)

Mechanical properties

Fluid friction

Elastic modulus

Membranes

Thin elastomer films

Résumé

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en œuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élastohydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600 nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide

This work addresses how the measurement of hydrodynamic forces of a liquid confined between a sphere and a surface of interest can lead to probe at a distance and without contact her mechanical properties. Firstly, we introduce this original technique of fluid probe and the dynamic Surface Force Apparatus used to perform these nanorheology experiments. Then, we present two applications for which the fluid probe can be of great importance. The first application is the study of friction properties of lipid bilayers. More particularly we measure very weak fluid friction coefficients on some fluid bilayers, which can be an important issue for biolubrication. The second application is the study of elastic properties of thin elastomer layers. For that we first develop an elasto-hydrodynamic theory for sphere-plan configuration in dynamic mode. Then, we present experimental results in very good agreement with this theory. We are able to measure the Young modulus of thin PDMS films of thickness as small as 600 nm. Finally, we present instrumental developments performed on the Surface Force Apparatus to optimize its potential as fluid probe