Thèse soutenue

Frottement de films minces d'hydrogel : poroélasticité et interface
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Auteur / Autrice : Lola Ciapa
Direction : Emilie VerneuilAntoine Chateauminois
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
Date : Soutenance le 07/10/2022
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (UMR 7615)
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
Jury : Président / Présidente : Olivia Du Roure
Examinateurs / Examinatrices : Emilie Verneuil, Antoine Chateauminois, Carlos Drummond, Marie Le Merrer, Alexis Prevost
Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Drummond, Marie Le Merrer

Résumé

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Les films minces d’hydrogel sont des systèmes prometteurs pour des applications en ingénierie biomédicale (cartilage articulaire synthétique, lentilles de contact) ou optique (revêtements anti-buée) grâce à leur biocompatibilité, leur transparence et leurs propriétés lubrifiantes. Les propriétés frictionnelles de ces systèmes dans l’eau, cruciales pour leur utilisation, sont complexes car elles mettent en jeu plusieurs mécanismes physiques souvent couplés. La lubrification par un film d’eau, les écoulements poroélastiques dans le gel sous l’effet de gradients de pression et les interactions moléculaires à l’interface entre le gel et la surface glissante sont évoqués pour expliquer le frottement des gels.Dans ce travail de thèse, nous avons mesuré puis décrit le rôle des interactions moléculaires interfaciales dans le frottement des hydrogels dans l’eau. Pour cela, nous avons développé un dispositif expérimental permettant de supprimer à la fois les contributions poroélastiques et de lubrification par un film d’eau. En faisant glisser une lentille sphérique de silice en rotation sur un film de gel de polydiméthylacrylamide d’épaisseur micrométrique immergé dans l’eau, sous force normale et vitesse imposées, nous mesurons les forces de frottement et nous observons le contact gel/silice par interférométrie. En fonctionnalisant la silice par des silanes variés, nous mettons en évidence un effet important de la chimie de surface de la lentille de silice sur les forces de frottement mesurées et leur dépendance en vitesse de glissement, laquelle est variée sur trois ordres de grandeur. En régime transitoire, nous mettons en évidence un phénomène de vieillissement de l’interface lorsque la lentille est maintenue en contact avec le gel sur des temps longs avant d’initier le glissement. Pour discuter ces observations, nous proposons un modèle de frottement en régime stationnaire basé sur l’adsorption/désorption thermodynamique des chaînes polymères sur la surface glissante. Ce modèle rend compte des observations expérimentales à partir de paramètres moléculaires en accord avec la physicochimie des silices silanisées.