Friction multi-échelles sur la glace et la neige

Multiscale ice and snow friction

• Auteur / Autrice : Luca Canale
• Direction : Lydéric Bocquet, Alessandro Siria
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière molle et nanosciences
• Date : Soutenance le 12/09/2019
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'ENS (Paris ; 2019-....)
• Partenaire(s) de recherche : Établissement de préparation de la thèse : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe de recherche Micromégas : nano-fluidique (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Guillaume Ovarlez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydéric Bocquet, Alessandro Siria, Guillaume Ovarlez, Lionel Bureau, Benjamin Cross, Juliette Cayer-Barrioz, Frédéric Restagno
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Bureau, Benjamin Cross

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière molle (physique)

Mots clés libres

Microscopie à force atomique

Tribologie

Rhéologie

Matière molle

Nanoscience

Glace

Neige

Atomic force microscopy

Tribology

Rheology

Soft matter

Nanoscience

Ice

Snow

Résumé

Dans ce manuscrit, nous présentons une étude expérimentale multiéchelles de la friction sur la glace et la neige. Ces deux matériaux sont connus depuis longtemps pour être extrêmement glissants. Cependant, le mécanisme physique derrière ce phénomène n’est pas encore compris aujourd’hui. Dans un premier temps, nous présentons un tribomètre macroscopique qui permet de caractériser précisément le coefficient de friction d’un mobile glissant sur la glace et la neige. Nous montrons, cependant, qu’on ne peut pas inférer directement les propriétés locales du contact à partir de l’observation des propriétés macroscopiques. Nous introduisons alors un nouvel instrument qui permet des mesures rhéologiques et tribologiques simultanées. Il s’agit d’un diapason macroscopique basé sur le principe de fonctionnement d’un microscope à force atomique. Nos mesures montrent que le caractère glissant de la glace est dû à un film lubrifiant nanométrique, créé sous l’effet du cisaillement. Cependant, ce film n’est pas fait d’eau liquide, mais possède un comportement non newtonien : il s’agit d’un fluide à seuil, avec un comportement visco-élastique. Nous montrons que les propriétés tribologiques de la glace sont intimement liées aux propriétés rhéologiques de ce film. Nos mesures remettent donc en question les théories existantes sur la glace et posent les premières bases pour comprendre plus généralement la friction dans les systèmes à transition de phase.

In this manuscript, we present a multiscale experimental study of ice and snow friction. The slipperiness of ice and snow is a common knowledge, but the very mechanism behind this observation has been a fundamental mystery for more than 150 years. Here, we first present a macroscopic tribometer, which allows for a proper characterization of the friction coefficient on ice and snow. However, we show that the experimental macroscopic findings cannot reveal directly the local interfacial properties. Hence, we introduce a novel instrument, which combines tribological and rheological capabilities with nanoscopic sensitivity. It is a macroscopic tuning fork, based on atomic force microscopy. Our measurements show that ice slipperiness originates from a nanometric lubricating film due to ice melting under shear. More unexpected is that the interfacial meltwater is far from any "simple water". It has a yielding behavior and a visco-elastic one under flow. The tribological results are intimately related to such properties. Our findings ask for a fundamental overhaul of the existing framework describing ice friction. More generally, it is also a building block for a better understanding of friction mechanisms in phase changing materials.