Mesures de frottement et d'élastohydrodynamique à l'aide d'un microscope à force atomique

Friction and Elastohydrodynamic Measurements using Atomic Force Microscope

• Auteur / Autrice : Muhammad Arshad
• Direction : Abdelhamid Maali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 26/10/2021
• 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 : Hamid Kellay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdelhamid Maali, Hamid Kellay, Élise Lorenceau, Pascal Panizza, Élisabeth Lemaire
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Élise Lorenceau, Pascal Panizza

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique des fluides

Hydrodynamique

Mots clés libres

Sonde colloïdale

Force hydrodynamique

Microsphères

Colloidal probe

Hydrodynamic force

Microspheres

Résumé

L’étude de l'écoulement des fluides à l'échelle nanométrique a connu une progression significative en raison de son applicabilité potentielle dans différents domaines, notamment les matières molles, les sciences médicales, la mécanique et l'ingénierie. Dans ce travail, nous avons utilisé un microscope de force atomique en mode dynamique pour étudier les propriétés rhéologiques de films de polymères minces et le frottement lubrifié entre microsphères de polystyrène.Nous avons rapporté la mesure sans contact des propriétés rhéologiques viscoélastiques d'un film mince de polymère. La réponse mécanique est mesurée en fonction de l'épaisseur du liquide pour différentes fréquences d'oscillation. Nos mesures révèlent un couplage élastohydrodynamique entre l’écoulement induit par une sonde colloïdale oscillante et la déformation viscoélastique du film de polymère. Nous avons obtenu les valeurs modules de perte et de stockage du film et les données sont décrites quantitativement par un modèle de lubrification viscoélastique. La dépendance en fréquence des modules de perte du film PDMS est en bon accord avec la théorie Chasset-Thirion. Nos mesures démontrent que les méthodes de sonde colloïdale sans contact sont des outils puissants qui peuvent être utilisés pour sonder les interfaces logicielles sur une large gamme de fréquences.La deuxième partie de la thèse est consacrée à la rhéologie des suspensions non-browniennes avec un focus sur le rôle du frottement interparticulaire dans le comportement de cisaillement. Dans ce but, l'AFM est utilisé pour effectuer des mesures de coefficient de frottement entre des microsphères de polystyrène afin de mettre en évidence le lien étroit entre les propriétés de frottement microscopiques et les propriétés rhéologiques macroscopiques des suspensions. Les forces normales et de friction entre deux microsphères qui se rapprochent sont mesurées en enregistrant respectivement la déflection et la torsion produites dans la sonde colloïdale AFM. Le coefficient de frottement entre particules diminue avec l'augmentation de la charge, ce qui est contraire au comportement des corps en contact macroscopiques. Le coefficient de frottement mesuré est ensuite introduit dans le modèle proposé par Lobry et al pour prédire la viscosité des suspensions constituées par ces particules de polystyrène. Le bon accord entre la viscosité mesurée au rhomètre et la valeur prédite par le modèle Lobry montre que la loi de frottement microscopique régit la viscosité macroscopique des suspensions.

The studies of fluid flow at nanoscale has shown significant rise due to its potential applicability in different fields including soft matters, medical sciences, mechanics and engineering. In this work, we have used the colloidal AFM in dynamic mode to study the rheological properties of thin polymeric films and the lubricated friction between polystyrene microspheres.We have reported contactless measurement of viscoelastic rheological properties of polymer thin film. The mechanical response is measured as a function of the liquid gap thickness for different oscillation frequencies. Our measurements reveal an elastohydrodynamic coupling between the flow induced by an oscillating colloidal probe and the viscoelastic deformation of the polymer film. We have obtained loss and storage moduli of the film and the data are quantitatively described by a viscoelastic lubrication model. The frequency-dependent loss and storage moduli of soft thin PDMS film are in good agreement with the Chasset-Thirion theory. Our measurements demonstrate that contactless colloidal probe methods are powerful tools that can be used for probing the soft interfaces over a broad range of frequencies.The second part of thesis is dedicated to the rheology of non-Brownian suspensions with a focus on the role of inter-particle friction in shear-thinning behavior. To this aim, AFM is used to measure friction coefficient between polystyrene microspheres to highlight the close link between the microscopic friction properties and the macroscopic rheological properties of the suspensions. The normal and friction forces between two approaching microspheres is measured by recording the deflection and the twist produced in the colloidal probe, respectively. The friction coefficient of polystyrene microspheres is measured for different normal loads. The inter-particle friction coefficient decreases with the increasing load, which is contrary to the behavior of macroscopic contacting bodies. The measured friction coefficient is then introduced into the model proposed by Lobry et al to predict the viscosity of suspensions made by these polystyrene particles. The good agreement between the measured viscosity using a Rhometer and Lobry’s predictions shows that the microscopic friction law governs the macroscopic viscosity of the suspensions.