Nano-gouttes smectiques, mouillage, nucléations

Spread of nanodrops smectic, wetting, nucleations

• Auteur / Autrice : Jean-Luc Buraud
• Direction : Olivier Noël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2013
• Etablissement(s) : Le Mans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans ; 2008-2021)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Noël

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nucléation

Mouillage (chimie des surfaces)

Gouttes

Cristaux liquides

Mots clés libres

Cristal liquide

Nano-gouttes

Smectique

Mouillage

Nucléation

Technique S.E.E.C.

Etalement

Cinétique

Liquid crystal

Nanodrops

Smectic

Wetting

Nucleation

Résumé

L'essentiel de ce travail est l'étude de l'étalement de nano-gouttes smectiques sur un substrat de silicium rendu hydrophile par oxydation sous UV-ozone. De nombreuses expériences ont été menées à l'aide la récente technique SEEC (surface-enhanced ellipsometric contrast) qui permet la visualisation directe et en temps réel de couches moléculaires sur les surfaces. Cette technique offre couramment une résolution verticale supérieure à 0,1 nm. Un des cristaux liquides les plus utilisés dans ce travail est le 4’-n-Octyl-4-cyanobiphényle (8CB). Les expérimentations ont été conduites dans une gamme de température comprise entre 21,5°C et 33,5°C, dans cet intervalle de température le 8CB est en mésophase smectique.La dernière étape de l'étalement d'une gouttelette stratifiée dans le cas d'un mouillage impair est l'évolution à partir d'une tricouche vers une monocouche, par la disparition de la dernière bicouche dans la pile. Nous parlons de mouillage impair lorsque les milieux extérieurs sont hydrophile-hydrophobes (comme c'est le cas de nos mesures avec un substrathydrophile et un milieu extérieur (l'air) hydrophobe) et de mouillage pair lorsque les milieux extérieurs sont soit tous les deux hydrophiles soit tous les deux hydrophobes. Nous avons étudié le mouillage impair dans le cas des cristaux liquides smectiques 8CB sur une surface hydrophile. Le recul de la dernière bicouche est accompagné, lorsque la température est plus élevée de plusieurs degrés de celle de la transition Solide/Smectique A, par la formation de nucléations, qui apparaissent préférentiellement dans la partie extérieure de la bicouche. Sinon (lorsque l'on est près de la température de transition) on observe une rétraction de la bicouche sans nucléation. Les données expérimentales ne sont pas conformes à la seule théorie disponible (modèle de P.G. de Gennes et A.M. Cazabat), qui couvre les liquides faiblement stratifiés. Unnouveau modèle est proposé, en accord remarquable avec les expériences. Dans ce modèle le mécanisme de propagation semble être un processus quasi-statique gouverné par les interactions liquide/solide, la pression de Laplace à deux dimensions, et la distinction entre les coefficients de perméabilité de bord et de surface. Ce modèle permet de mieux expliquer nos résultat expérimentaux. De l'analyse des observations expérimentales en temps réel dans le cas de la formation de pores (nucléation), nous démontrons que les lignes de dislocation des boucles qui forment les frontières des pores ne sont pas situés à la même hauteur dans l'empilement des trois couches que les lignes de dislocation qui bordent la bicouche. En outre, une analyse minutieuse de nos résultats en utilisant une approche théorique récemment développée pour expliquer l'étalement de nano-gouttes de cristal liquide smectique suggère fortement que la nucléation des pores est déclenchée par la différence des potentiels chimiques entre les couches adjacentes, ce qui contraste avec le schéma classique où la nucléation est attribuée à la tension latérale le long des couches. Nous avons aussi imaginé un modèle de formation de pré-pores pour expliquer la perméation dans les strates adjacentes d'un liquide smectique. Enfin, une étude toujours en cours porte sur le nucléation hétérogène. Nous forçons une nucléation centrale et étudions son évolution. La tricouche est alors un anneau avec un rayon intérieur croissant et un rayons extérieur décroissant. Le système évolue jusqu'à la disparition totale de la tricouche. Notre modèle propose une solution qui est encore en cours de test. Letravail est ouvert et de nombreuses questions attendent leurs réponses...

The aim of this work is the study of the spread of nanodrops smectic on a silicon substrate made hydrophilic by oxidation under UV-ozone. Many experiments have been conducted using the recent SEEC technique (Surface-enhanced ellipsometric contrast) that allows direct visualization and real-time of molecular layers on surfaces. This technique provides a common vertical resolution greater than 0.1 nm. One of the most used liquid crystals in this work is the 4'-n-octyl-4-cyanobiphenyl (8CB). The experiments were conducted in a temperature range between 21.5 ° C and 33.5 ° C, in this temperature range the 8CB is in smectic mesophase. The last stage of the spreading of a droplet stratified in the case of an odd wetting is changing from a three-layer to a monolayer, that is, vanishing of the last bilayer in the stack. We talk about odd wetting when external environments are hydrophilic-hydrophobic (as is the case of our measurements with a hydrophilic substrate and an external medium (air) hydrophobie) and wetting even when external environments are either all two hydrophilic or bath hydrophobie. We studied the spreading in the case of smectic liquid crystals 8CB on a hydrophilic surface (odd wetting). Receding of the last bilayer is accompanied by formation of pores in it, which appear in the outer part of it, when the temperature is several degrees higher than that of the transition Solid / Smectic A. Otherwise (when it is near the transition temperature) there is a retraction of the bilayer without nucleation. The experimental data are consistent with the only available theory (PG de Gennes model and AM Cazabat) covering weakly stratified fluids. A new model is proposed in remarkable agreement with the experiments. In this model the propagation mechanism appear�� to be a quasi-static process governed by the interactions liquid / solid, the Laplace pressure in two dimensions, and the distinction between the coefficients of permeability of edge and surface. This model helps to explain our experimental results. Analysis of experimental observations in real time in the case of pore formation (nucleation), we demonstrate that the dislocation lines of the loops which form the pore boundaries are not located at the same height, in the stack of three layers, that dislocation lines bordering the bilayer. In addition, a careful analysis of our results using a recently developed theoretical approach to explain the spread of nana-drops of smectic liquid crystal strongly suggests that the pore nucleation is activated by the difference in chemical potential between adjacent layers, which contrasts with the conventional scheme in which nucleation is assigned to the lateral tension along the layers. We also imagined a pre-pore formation model to explain permeation in adjacent layers of a smectic liquid. Finally, still current study focuses on the heterogeneous nucleation. We force a central nucleation and study its evolution. The trilayer is then a ring with an increasing inner radius and an outer radius decreasing. The system evolvesuntil the complete disappearance of the three-layer. Our model offers a solution that is still being tested. The work is open and many questions awaiting answers ...