Écoulements au voisinage d’interfaces molles : les rôles de l’élasticité, la capillarité & les fluctuations

Flows at soft interfaces : the roles of elasticity, capillarity & fluctuations

• Auteur / Autrice : Vincent Bertin
• Direction : Thomas Salez, Elie Raphaël
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 09/09/2021
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : David S. Dean
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Salez, Elie Raphaël, David S. Dean, Isabelle Cantat, Dominic Vella, Elisabeth Charlaix, Joelle Frechette, Howard A. Stone
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Isabelle Cantat, Dominic Vella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diffusion (physique)

Couches minces

Lubrification élastohydrodynamique

Capillarité

Élasticité

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Élasticité

Capillarité

Lubrification

Films minces

Diffusion

Rheology

Elasticity

Capillarity

Lubrication

Thin films

Diffusion

Résumé

Dans ce manuscrit, nous étudions des écoulements au voisinage d’interfaces molles au travers de systèmes divers. Dans une première partie, nous nous intéressons à la lubrification élastohydrodynamique, et analysons le mouvement confiné d’une sphère rigide se déplaçant à proximité d’une surface déformable. Les interactions hydrodynamiques entre une sphère oscillante et la déformation de la surface permettent de caractériser sans contact la réponse mécanique complexe des matériaux, comme la viscoélastiticité, la poroélasticité ou la capillarité. Les résultats théoriques sont confrontés à des expériences de microscopie à force atomique avec une sonde colloïdale, permettant de mesurer la rhéologie d’élastomères et la tension de surface d’interfaces liquide-air en présence d’impuretés. Ensuite, nous calculons les forces et couples qui s’appliquent sur des sphères ayant la liberté de se déplacer et de tourner dans toutes les directions. La force de portance élastohydrodynamique, mesurée expérimentalement, est en accord avec les prédictions théoriques pour des faibles déformations de la surface. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la dynamique de films visqueux mince. Au travers de travaux théoriques et expérimentaux sur le nivellement capillaire de films de polymères, nous analysons la dynamique de films reposant sur un substrat élastique, de films bicouches et de films suspendus. Une dernière partie est dédiée à la diffusion de sphères dans des écoulements cisaillés et au voisinage d’une paroi. Nous analysons l’augmentation du coefficient de diffusion effectif induit par le couplage entre diffusion et advection. Un intérêt particulier est porté sur la dynamique aux temps courts devant le temps de diffusion et sur les interactions des particules avec le mur.

In this manuscript, we study flows in the vicinity of soft interfaces through various systems. In a first part, we focus on elastohydrodynamic lubrication, and analyze the confined motion of a rigid sphere moving close to a soft surface. The hydrodynamic interactions between an oscillating sphere and the deformation of the surface allow us to characterize without contact the complex mechanical response of materials, such as viscoelasticity, poroelasticity or capillarity. Theoretical results are confronted with colloidal-probe atomic force microscopy experiments, allowing us to measure the rheology of elastomers and the surface tension of liquid-air interfaces in the presence of impurities. Then, we calculate the forces and torques that apply on spheres that are free to move and rotate in all directions. The elastohydrodynamic lift force, measured experimentally, is in agreement with theoretical predictions for small surface deformations. In a second part, we focus on the dynamics of thin films. Through theoretical and experimental work on the capillary leveling of thin polymer films, we analyze the dynamics of films resting on an elastic substrate, bilayer films and freestanding films. A last part is dedicated to the diffusion of spheres in shear flows and near a wall. We analyze the enhancement of the effective diffusion coefficient induced by the coupling between diffusion and advection. Particular interest is given to the dynamics at short times compared with the diffusion time and to the interactions of the particles with the wall.