Capillary adhesion and friction : an approach with the AFM Circular Mode - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2011

Capillary adhesion and friction : an approach with the AFM Circular Mode

Adhérence capillaire et frottement: une approche avec le mode circulaire AFM

Résumé

The aim of this thesis is concerned with the influence of sliding velocity on capillary adhesion at the nanometer scale. In ambient conditions, capillary condensation which is a thermally activated process, allows the formation of a capillary meniscus at the interface between an atomic force microscope (AFM) probe and a substrate. This capillary meniscus leads to a capillary force that acts as an additional normal load on the tip, and affects the adhesion and friction forces. The Atomic Force Microscopy (AFM) offers interesting opportunities for the measurement of surface properties at the nanometer scale. Nevertheless, in the classical imaging mode, limitations are encountered that lead to a non stationary state. These limitations are overcome by implementing a new AFM mode (called Circular AFM mode). By employing the Circular AFM mode, the evolution of the adhesion force vs. the sliding velocity was investigated in ambient conditions on model hydrophilic and hydrophobic surfaces with different physical-chemical surface properties such as hydrophilicity. For hydrophobic surfaces, the adhesion forces or mainly van der Waals forces showed no velocity dependence, whereas, in the case of hydrophilic surfaces, adhesion forces, mainly due to capillary forces follow three regimes. From a threshold value of the sliding velocity, the adhesion forces start decreasing linearly with the logarithm increase of the sliding velocity and vanish at high sliding velocities. This decrease is also observed on a monoasperity contact between a atomically flat mica surface and a smooth probe, thus eliminating the possibility of the kinetics of the capillary condensation being related to a thermally activated nucleation process as usually assumed. Therefore, we propose a model based on a thermally activated growth process of a capillary meniscus, which perfectly explains the experimental results. Based on these results, we focused on directly investigating with the Circular mode the role of capillary adhesion in friction mechanisms. We investigated the influence of the sliding velocity on the friction coefficient, and a decrease following three regimes, similar to the sliding velocity dependence of the capillary adhesion, was observed for hydrophilic surfaces that possess a roughness higher than 0.1 nm. Whereas, an increase of the friction coefficient was observed on hydrophilic (Mica) or hydrophobic (HOPG) atomically flat surfaces that posses a roughness lower than 0.1 nm. However, in this latter case, the three regimes are not established. Finally, on a rough hydrophobic surface, the friction coefficient was sliding velocity independent. A direct comparison with capillary adhesion behavior with the sliding velocity is expected to give new insights to explain this interplay
Le but de cette thèse porte sur l'influence de la vitesse de glissement sur l'adhésion capillaire à l'échelle nanométrique. Dans les conditions ambiantes, la condensation capillaire qui est un processus activé thermiquement, permet la formation d'un ménisque capillaire à l'interface entre une sonde de microscope à force atomique (AFM) et un substrat. Ce ménisque capillaire entraîne une force capillaire qui agit comme une charge normale supplémentaire sur la pointe et affecte les forces d'adhérence et de friction. La microscopie à force atomique (AFM) offre des opportunités intéressantes pour la mesure des propriétés de surface à l'échelle nanométrique. Néanmoins, dans le mode d'imagerie classique, des limitations sont rencontrées qui conduisent à un état non stationnaire. Ces limitations sont surmontées en implémentant un nouveau mode AFM (appelé mode AFM circulaire). En utilisant le mode AFM circulaire, l'évolution de la force d'adhérence en fonction de la vitesse de glissement a été étudiée dans des conditions ambiantes sur des modèles de surfaces hydrophiles et hydrophobes avec différentes propriétés de surface physico-chimiques telles que l'hydrophilie. Pour les surfaces hydrophobes, les forces d'adhésion ou principalement les forces de van der Waals n'ont montré aucune dépendance à la vitesse, alors que, dans le cas des surfaces hydrophiles, les forces d'adhésion, principalement dues aux forces capillaires, suivent trois régimes. À partir d'une valeur seuil de la vitesse de glissement, les forces d'adhésion commencent à diminuer linéairement avec l'augmentation logarithmique de la vitesse de glissement et disparaissent à des vitesses de glissement élevées. Cette diminution est également observée sur un contact de monoasperité entre une surface de mica atomiquement plate et une sonde lisse, éliminant ainsi la possibilité que la cinétique de la condensation capillaire soit liée à un processus de nucléation activé thermiquement comme on le suppose habituellement. Par conséquent, nous proposons un modèle basé sur un processus de croissance activé thermiquement d'un ménisque capillaire, qui explique parfaitement les résultats expérimentaux. Sur la base de ces résultats, nous nous sommes concentrés sur l'étude directe avec le mode circulaire du rôle de l'adhésion capillaire dans les mécanismes de friction. Nous avons étudié l'influence de la vitesse de glissement sur le coefficient de frottement, et une diminution suivant trois régimes, similaire à la dépendance à la vitesse de glissement de l'adhérence capillaire, a été observée pour les surfaces hydrophiles qui possèdent une rugosité supérieure à 0,1 nm. Alors qu'une augmentation du coefficient de frottement a été observée sur des surfaces atomiquement hydrophiles (Mica) ou hydrophobes (HOPG) qui possèdent une rugosité inférieure à 0,1 nm. Cependant, dans ce dernier cas, les trois régimes ne sont pas établis. Enfin, sur une surface hydrophobe rugueuse, le coefficient de frottement était indépendant de la vitesse de glissement. Une comparaison directe avec le comportement d'adhésion capillaire avec la vitesse de glissement devrait donner de nouvelles perspectives pour expliquer cette interaction..
Fichier principal
Vignette du fichier
Thesis_-_final_-_version-Nasrallah-7-12-2011.pdf (3.89 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...

Dates et versions

tel-00651818 , version 1 (14-12-2011)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00651818 , version 1

Citer

Hussein Nasrallah. Capillary adhesion and friction : an approach with the AFM Circular Mode. Other [cond-mat.other]. Université du Maine, 2011. English. ⟨NNT : 2011LEMA1011⟩. ⟨tel-00651818⟩
521 Consultations
2005 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More