Mesure de tension de surface de particules microniques et submicroniques : application à la formation des nuages

Surface tension measurement of micronics and submicronics particles : applications to clouds formation

• Auteur / Autrice : Clément Chatre
• Direction : Barbara Nozière, Eric Ehret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Chimie (Lyon ; 2004-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherches sur la Catalyse et l'Environnement de Lyon (Villeurbanne, Rhône)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Journet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Barbara Nozière, Eric Ehret, Jean-Baptiste Salmon, Renaud Podor, Anne Monod
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Baptiste Salmon, Renaud Podor

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfactants

Aérosols

Surfaces

Gouttes

Aspect moléculaire

Nuages

Mots clés libres

Tension de surface

Aerosol

Microscopie électronique

Nuage

Surface tension

Aerosol

Electronic microscopy

Cloud

Résumé

Les nuages jouent un rôle important sur la Terre, notamment par les précipitations ainsi que leurs impacts sur le forçage radiatif et donc le Climat. La formation des nuages reste un phénomène physique qui soulève encore de nombreuses questions, tant au point de vue physique, que chimique. La formation de gouttes constituants les nuages dans l’atmosphère, a été théorisée en 1936 par Köhler, dans cette théorie les paramètres clés pour qu’une goutte d’eau existe, sont la taille de la particule ayant servi de centre de nucléation, ainsi que la chimie de la particule. Dans la nature chimique du centre de nucléation intervient notamment la tension de surface de ce dernier. Depuis de nombreux travaux ont été conduits pour appréhender cette théorie afin de s’approcher d’un modèle réaliste. Néanmoins la plupart de ces modèles semi-empiriques négligent la tension de surface de la goutte, fixant celle-ci à celle de l’eau pure 72,8 mJ/m². Des études récentes ont mis en évidence la présence de tensioactif dans les aérosols réduisant drastiquement la tension de surface des gouttes d’eau formée. Ces études sont conduites sur des populations d’aérosols, les résultats obtenus sont donc moyennés sur toute la population de particule. La mesure de tension de surface d’aérosol particule à particule a récemment été développée notamment par Optical Tweezer ou par mesure AFM, permettant ainsi de s’affranchir d’une mesure moyennée. Des analyses de particule par ESEM, ont permis de suivre l’évolution hygroscopique d’objet micronique et submicronique à des humidités relatives comprises entre 0 et 100 %. Ce suivi dynamique permet d’apprécier l’évolution de l’angle de contact et du facteur de grossissement de goutte d’eau contenant ou non des tensioactifs. L’impact de la nature hydrophile ou hydrophobe de la surface sur la dynamique de l’angle de contact de goutte microscopique a également été investiguée. Le développement d’un outil permettant la mesure de tension de surface d’aérosol hydraté tout en visualisant ce dernier par ESEM a été réalisé, cette mesure est effectuée à l’aide de levier piézo-électrique. Cet outil permet la mesure directe de tension de surface de goutte d’eau pour des tailles comprise entre 500nm à une centaine de micromètres de diamètre, donnant accès à la mesure d’une large plage de taille d’aérosol. Ces mesures ont été réalisées à l’aide de sonde nanométrique synthétisée, différents nanofils de diamètre compris entre 80 et 300 nm, de nature différente ont été utilisé. Des tensions de surface de liquide connu et de goutte d’eau issue de la condensation d’eau sur des aérosols atmosphériques ont été mesurées par cet instrument.

Clouds have an important impact on the Earth system, especially by rain fall and the radiative forcing and on the Climate. The cloud formation stays none well understood physical phenomena, many questions about their physics and chemistry still without answers. The formation of droplets constituents of clouds was for the first time theorized by Köhler in 1936. In this model the key parameters for the existence of a stable droplet are the size and the chemistry of the particle who act has nucleation center. In the chemistry parameter, the surface tension of the droplet plays a significant role for the smallest droplet. Since this theory, a lot of works have done to improve the model and reach a realistic one. Nevertheless, most of these semi-empirical models underestimate the surface tension parameter of the droplet and fix it to the value of pure water 72,8 mJ.m-2. Recent studies have shown the presence of surfactants in aerosol reducing the surface tension of the droplet. These studies have been done on an aerosol’s population; measures of surface tension of these aerosols are averaged on all the population. The surface tension measurements of aerosol particle to particle have been recently reached by optical Tweezer or by AFM. Particle to particle analyzed can also be done by using an ESEM, it’s a versatile tool for following the evolution of a unique particle, like hygroscopic proprieties, at relative humility from 0 to 100%. This dynamic analysis allows following the evolution of the contact angle and growth factor of water drops in presence or not of surfactants. The impacts of the nature hydrophilic or hydrophobic of the surface of the dynamic contact angle of microscopic drops have been investigated by ESEM. Development of tools for direct measurement of surface tension in ESEM has been done; measure is performed by a resistive piézo. This tool allows the direct surface tension measure of droplets with a range size 500 nm up to hundreds of micrometres. Measures have been performed by nano metallic synthesized probes, metallic nanowires with a diameter between 80 nm and 300 nm have also been used. Surface tension of known liquid and of aerosol droplet has been done with this new tool.