Effets mécaniques de la lumière sur des particules anisotropes micrométriques et dynamique du mouillage à l’interface eau-air

par Besira Mihiretie

Thèse de doctorat en Lasers, matière et nanosciences

Sous la direction de Bernard Pouligny et de Jean-Christophe Loudet.

Soutenue le 05-07-2013

à Bordeaux 1 , dans le cadre de École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde) , en partenariat avec Centre de Recherche Paul Pascal (Pessac) (laboratoire) et de Centre de recherches Paul Pascal / CRPP (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Nallet.

Le jury était composé de Jean-Pierre Galaup, Philippe Richetti, Arjun G. Yodh.

Les rapporteurs étaient Simon Hanna, Kuan Fang Ren.

mots clés

• Lévitation optique
• Effet mécaniques de la lumière
• Piégeage
• Ellipsoïde
• Pinces optiques
• Interface fluide
• Polystyrène
• Particules (matière)
• Pinces optiques

Résumé

Nous présentons une série d’expériences sur des particules micrométriques de polystyrène de formes ellipsoïdales. Les rapports d’aspects (k) des particules sont variables, de 0.2 à 8 environ. Ces ellipsoïdes sont manipulés dans l’eau par faisceau laser modérément focalisé. On observe la lévitation et l’équilibre dynamique de chaque particule, dans le volume et au contact d’une interface, solide-liquide ou liquide-liquide. Dans une première partie, nous montrons que des particules de k modéré sont piégées radialement. Par contre, les ellipsoïdes allongés (k>3) ou aplatis (k<0.3) ne peuvent pas être immobilisés. Ces particules « dansent » autour du faisceau, dans un mouvement permanent associant translation et rotation. Les mouvements sont périodiques, ou irréguliers (chaotiques) selon les caractéristiques de la particule et du faisceau. Un modèle en 2d est proposé qui permet de comprendre l’origine des oscillations. La seconde partie est une application de la lévitation optique pour une étude de la transition mouillage total-mouillage partiel des particules à l’interface eau-air. Nous montrons que la dynamique de la transition ne dépend pratiquement pas de la forme de particule, et qu’elle est déterminée par le mécanisme d’accrochage-décrochage de la ligne de contact.

mots clés

• Optical levitation
• Mechanical effects of light
• Trapping
• Ellipsoid
• Optical tweezers
• Fluid interface

Titre traduit

(Mechanical effects of light on anisotropic micron-sized particles and their wetting dynamics at the water-air interface

Résumé

We report experiments on ellipsoidal micrometre-sized polystyrene particles. The particle aspect ratio (k) varies between about 0.2 and 8. These particles are manipulated in water by means of a moderately focused laser beam. We observe the levitation and the dynamical state of each particle in the laser beam, in bulk water or in contact to an interface (water-glass, water-air, water-oil). In the first part, we show that moderate-k particles are radially trapped with their long axis lying parallel to the beam. Conversely, elongated (k>3) or flattened (k<0.3) ellipsoids never come to rest, and permanently “dance” around the beam, through coupled translation-rotation motions. The dynamics are periodic or irregular (akin to chaos) depending on the particle type and beam characteristics. We propose a 2d model that indeed predicts the bifurcation between static and oscillating states. In the second part, we apply optical levitation to study the transition from total to partial wetting of the particles at the water-air interface. We show that the dynamics of the transition is about independent of particle shape, and mainly governed by the pinning-depinning mechanism of the contact line.