Nanorhéologie des liquides confimés : application à la nanomécanique des couches minces

Confined liquids nanorheology : application to thin films nanomechanics

• Auteur / Autrice : Richard Villey
• Direction : Elisabeth Charlaix, Cécile Cottin-Bizonne, Magali Phaner-Goutorbe
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/12/2013
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique et Astrophysique de Lyon (PHAST)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Rieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carlos Drummond, Antoine Chateauminois, Denis Mazuyer, Matteo Ciccotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Élasticité

Hydrodynamique

Films liquides (physique)

Mécanique des fluides

Couches minces

Rhéologie

Mots clés libres

Module d’Young

Visco-élasticité

JKR

Films d’élastomères

Nanorhéologie

Appareil à forces de surfaces (SFA)

Liquides confinés

Élasto-hydrodynamique

Young’s modulus

Viscoelasticity

JKR

Elastomer films

Nanorheology

Surface Force Apparatus (SFA)

Confined liquids

Elasto-hydrodynamics

Résumé

Lorsque deux solides séparés par un liquide se rapprochent, le drainage s’accompagne de forces visqueuses normales aux parois. Si elles sont très rapprochées, de l’ordre de quelques nanomètres, les parois sont indentées par ces forces : c’est le ''confinement élastique''. Indenter un solide par un liquide permet de supprimer l’adhésion, qui limite la résolution en termes de module d’Young des tests classiques d’indentation par un solide, surtout pour les films supportés minces et mous, par exemple des élastomères d’épaisseur micrométrique. Or leurs propriétés, qui peuvent sensiblement différer des propriétés en volume, sont essentielles dans des domaines aussi variés que la microfluidique, l’électronique ou l’usure mécanique. Nous présentons les calculs qui relient les forces normales aux propriétés mécaniques du liquide et des parois lors d’un confinement élastique. Les résultats sont comparés à des expériences de nanorhéologie réalisées sur une machine à forces de surface très sensible. Cette sensibilité nous permet de montrer que l’effet du confinement élastique se manifeste même sans film mou déposé : cela implique que la rhéologie apparente d’un liquide confiné est toujours affectée par les déformations des parois, même très rigides.Nous montrons enfin que nous pouvons effectivement mesurer avec précision des modules d’Young autour du MPa dans des films d’élastomères de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur. Si le module de stockage ne varie presque pas avec l’épaisseur, un module de pertes apparaît, augmentant sensiblement lorsque l’épaisseur diminue, témoignant d’une visco-élasticité que nous attribuons à la présence d’une couche interfaciale.

When two solids separated by a liquid layer are moving towards each other, the resulting drainage is associated with viscous forces normal to the walls. If these are very close to each other (several nanometers), they are indented by these forces : this is the notion of “elastic confinement”. Indenting a solid by a liquid solves the problem of adhesion, which limits the ability of classical indentationtests to provide accurate measurements on Young’s modulii. Adhesion is especially problematic for soft thin films, for example micrometric layers of elastomers, which mechanical properties can strongly differ from the bulk, but are of the highest importance in various fields such as microfluidics, electronics or mechanical wear. We present here the calculations which link the solid and liquid mechanical properties to the resulting forces in a liquid indentation test. The corresponding results are compared to nanorheology experiments using a very sensitive Surface Force Apparatus. Its sensitivity enables us to show that the elastic confinement is also measurable without any soft films, which implies that a confined liquid apparent rheology is always affected bythe deformations of even very rigid confining walls. Finally, we demonstrate that we are indeed able to measure precisely Young’s modulii in the MPa range for films as thin as several hundreds of nanometers. While the storage modulii are found to be almost independent ofthe film thicknesses, we identify the presence of loss modulii increasing with decreasing thicknesses. We attribute this unexpected viscoelastic behaviour to the presence of an interfacial layer.