Dynamique de films minces en présence d'un ménisque : films supportés et caténoïdes

Thin film dynamics with a meniscus : coated films and catenoids

• Auteur / Autrice : Alice Etienne-Simonetti
• Direction : Emmanuelle Rio, Isabelle Cantat, Frédéric Restagno
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• 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 : Frédéric Moisy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Scheid, Anne-Laure Biance, Jacco H. Snoeijer
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benoît Scheid, Anne-Laure Biance

Mots clés

Mots clés contrôlés

Surfactants

Navier-Stokes, Équations de

Hydrodynamique

Écoulement laminaire

Tension superficielle

Dynamique des fluides

Interfaces gaz-liquide

Films liquides (physique)

Mots clés libres

Film mince

Drainage

Ménisque

Succion capillaire

Pincement

Lubrification

Thin film

Drainage

Meniscus

Capillary suction

Groove

Lubrication

Résumé

Cette thèse porte sur la dynamique de films liquides minces libres ou supportés en présence d'un ménisque. Pour les films supportés, un film d'huile silicone d'une dizaine de micromètres est déposé sur un wafer et perturbé par une fibre de verre cylindrique verticale. La fibre crée un ménisque qui aspire le liquide et engendre un creux dans le film, appelé pincement, qui se propage. Le pincement se creuse puis se remplit et donc passe par un minimum temporel d'épaisseur. Ce minimum temporel d'épaisseur est piloté par l'ascension du ménisque sur la fibre. Nous prédisons la valeur de ce minimum et le temps auquel il est atteint en supposant qu'il a lieu lorsque le ménisque arrive à l'équilibre et que le liquide nécessaire pour former le ménisque provient intégralement du pincement. Pour des films d'épaisseur de l'ordre du micromètre, le pincement est si fin qu'il forme un film de Newton, à savoir un film d'épaisseur constante en temps, d'une dizaine de nanomètres. L'épaisseur initiale critique pour l'apparition du film de Newton est donnée par la même loi d'échelle que précédemment. Pour étudier des films libres, nous immergeons un anneau dans un bain de solution savonneuse puis l'extrayons pour former une caténoïde. Nous mesurons le profil d'épaisseur de la caténoïde au cours du temps afin d'étudier son drainage. La description de la forme de la caténoïde en contact avec le bain nécessite l'introduction d'une tension de ligne. Le drainage est contrôlé par la régénération marginale au niveau du ménisque en bas du film comme pour les bulles de surface, contrairement aux films plans où la régénération marginale aux ménisques latéraux domine. Nous étudions également le temps de vie des caténoïdes pendant leur génération. Elles rompent parce qu'elles sont trop étendues, comme les films plans.

This thesis deals with the dynamics of free or supported thin liquid films in the presence of a meniscus. For supported films, a ten-micrometer film of silicone oil is deposited on a wafer and disturbed by a vertical cylindrical glass fiber. The fiber creates a meniscus which sucks in the liquid and creates a hollow in the film, called a groove, which propagates. The groove deepens, then fills, and thus passes through a temporal minimum of thickness. This temporal thickness minimum is driven by the meniscus's ascent on the fiber. We predict the value of this minimum and the time at which it is reached by assuming that it occurs when the meniscus reaches equilibrium and that the liquid required to form the meniscus comes entirely from the pinch. For micrometer-thick films, the groove is so thin that it forms a Newton film, i.e. a film of constant thickness over time, of around ten nanometers. The critical initial thickness for the Newton film to appear is given by the same scaling law as above. To study free films, we immerse a ring in a bath of soapy solution, then extract it, to form a catenoid. We measure the catenoid's thickness profile over time to study its drainage. Describing the shape of the catenoid in contact with the bath requires the introduction of a line tension. Drainage is controlled by marginal regeneration at the meniscus at the bottom of the film as with surface bubbles, unlike planar films where marginal regeneration at the lateral menisci dominates. We also study the lifetime of catenoids during their generation. They rupture because they are too extended, like planar films.