Mise en évidence de l'effet thermoélastique induit par déformation de cisaillement dans les liquides mésoscopiques

Highlighting strain-induced thermoelastic effect in mesoscopic liquids

• Auteur / Autrice : Eni Kume
• Direction : Laurence Noirez
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/10/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Léon Brillouin (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1974-....) - Synchrotron SOLEIL
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Ramos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Günter Reiter, Kostya Trachenko, Jean-Pascal Rueff
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Günter Reiter, Kostya Trachenko

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lois d'échelle (physique)

Élasticité

Cisaillement (mécanique)

Traitement thermomécanique

Liquides

Mots clés libres

Liquides confinés

Élasticité de cisaillement

Couplage thermomécanique

Ondes thermiques

Loi d’échelle

Confined liquids

Shear elasticity

Thermo-mechanical coupling

Thermal waves

Scale dependence

Résumé

La compréhension approfondie des liquides constitue un grand défi. Leur dynamique moléculaire rapide conduit à l'incapacité de supporter les ondes transversales (cisaillement) de basses fréquences qui se dissipent dans le milieu. Cependant, des rapports expérimentaux et théoriques récents semblent s'opposer à cette notion et mettent en évidence une élasticité de cisaillement finie dans les liquides à l'échelle mésoscopique. Dans le cadre de cette élasticité de cisaillement, nous étudions la réponse thermique à une déformation en cisaillement. Les liquides sont confinés à des épaisseurs variant entre 100 et 1000 µm entre des surfaces à haute énergie et sollicités dans une gamme de fréquences de 0,5 à 5 rad/s (0,08 à 0,8 Hz). Nous montrons que l'onde de cisaillement génère des ondes thermiques froides et chaudes quasi instantanées et réversibles dont l'amplitude et la forme sont modulées par la déformation de cisaillement, conduisant à la génération d'un signal thermique non linéaire (harmoniques) à grande amplitude ou fréquence. Nous mettons également en évidence une relaxation thermique exponentielle étirée lors de la déformation-échelle ainsi qu'une dépendance d'échelle similaire à celle de l'élasticité de cisaillement. Les effets thermiques observés indiquent que les liquides mésoscopiques sont capables de convertir l'énergie de cisaillement mécanique dans des états thermodynamiques non uniformes, et sont donc dotés de thermoélasticité, une propriété identifiée jusqu'à présent dans les solides. Enfin, dans le cadre de l'étude dynamique de l'interface solide-liquide, nous révélons par diffusion inélastique de rayons X, l'impact du mouillage sur la dynamique de surface solide.

In depth understanding of liquids stand as a great challenge. Their fast molecular dynamics lead to inability of supporting transverse (shear) waves, which energy should dissipate in a liquid medium. However, recent experimental and theoretical reports argue against this notion and highlight finite shear elasticity in mesoscale (semi-confined) liquids. In the frame of finite shear elasticity in mesoscopic liquids, we probe the thermal response under mechanical oscillatory shear excitation within the conventional viscous regime for a frequency range of 0.5 – 5 rad/s (0.08 – 0.8 Hz). The studied liquids (glycerol, polypropylene glycol and water) are confined between high-energy surfaces with thickness gap varying between 100 – 1000μm. We show that the applied shear strain generates nearly instant and reversible (hot and cold) thermal waves, whose amplitude and shape are linearly modulated by the shear strain at moderate shear strain and frequency, while leading to the generation of a non-linear thermal signal (harmonics) at large amplitude or larger frequency. We also examine the stability of the thermal equilibrium while the liquid is submitted to a sudden step shear strain. We evidence fast thermal changes reaching +0.04°C and -0.04°C amplitude that relax following a stretched-exponential while keeping the global temperature unchanged. Finally, we highlight a scale dependence of the thermal wave similar to that of the shear elasticity. The observed thermal effects indicate that mesoscopic liquids are able to convert (partly) the mechanical shear energy in non-uniform and non-equilibrium thermodynamic states, thus are endowed with thermoelasticity, a property so far identified in solids. Finally, in the frame of the dynamic study of the solid-liquid interface, we reveal via inelastic x-ray scattering, the impact of wetting on the solid surface dynamics.