Dynamic wetting of viscoelastic substrates - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2022

Dynamic wetting of viscoelastic substrates

Dynamique du mouillage sur substrats viscoélastiques

Mathieu Oléron

Résumé

This work focuses on dynamical elastowetting, which means it investigates the motion of a liquid onto a deformable substrate. However, viscoelastic substrates such as polymeric gels also dissipate energy: the liquid/vapor interface pulls the substrate; the resulting wetting ridge dissipates energy when the contact line carries it along. Recent theoretical predictions use nonlinear elasticity and suggest that the ratio of these two dissipation sources rules the dynamics of elastowetting systems. The bigger the ratio, the more the substrate dissipates. This thesis probes the so far uncharted implications of this dissipation ratio. Drops slide onto inclined silicon gels, and the dissipation ratio spans four orders of magnitude. We then study both advancing and receding contact lines. This parameter sets the shape of the drops. When the viscoelastic solid dissipates as much energy as the viscous liquid, we observe shapes akin to the rigid case. The drop forms a corner at the rear - the faster, the sharper. We observe rounder corners than the case where the substrate is rigid though. When the viscoelastic solid dissipates much more energy than the viscous liquid, we observe longer and corner-free drops. The relation between the weight and the running speed of the drops confirms the stark difference between systems where the liquid dissipate as much as the solid and systems that mostly dissipate in the substrate. In the first case, the speed increases linearly with the weight, just like the rigid case. In the second case, the rheology of the substrate rules the dynamics. We also mesured the dynamic contact angles between the drop and its substrate. The dissipation ratio strongly modifies the relation between those two parameters. At low dissipation ratio, the curve and the Cox-Voinov relation, that well describes the rigid case, look alike. At high dissipation ratio, the curve steepens at low speed and exhibits two plateaus at large speed (in absolute value). Longer drops stem from this "S"-like curve, called soft hysteresis. The aforementionned model predicts this phenomenon and is in excellent agreement with our experimental data. Local measurements such as dynamic contact angles highlight subtle effects that weighing measurements miss. Viscoelasticity does impact the dynamic of the drop even when the dissipation ratio is close to unity. Despite strong similarities with the rigid case, simply neglecting the dissipation inside the liquid is innapropriate to describe our data. In any case, the drop leaves pearls behind its trail above a certain speed - it's the pearling instability. Our experiments and the nonlinear theory exhibit the same trend: the instability threshold decreases with increasing dissipation ratio at fixed equilibrium contact angle. This work also opens prospective as regards the curvature at the tip of cornered drops just below the instability threshold. Measurements in the rigid case suggest that nanometric scales regularize the corner. Yet, the characteristic size of the wetting ridge, called the elastocapillary length, impacts the rear curvature in our systems. The smaller the elastocapillary length, the sharper the corner, in agreement with the observed shapes. Further investigation should unveil how does this micrometric length scale couple with the molecular length scale to regularize the corner.
Cette thèse étudie l'élastomouillage dynamique, c'est-à-dire le déplacement d'un liquide sur un substrat déformable. Un liquide dissipe son énergie motrice par viscosité lorsqu'il se déplace sur une surface solide. Cependant, les substrats viscoélastiques comme les gels de polymères dissipent aussi de l'énergie : l'interface liquide/vapeur tire sur le substrat ; la déformation qui en résulte dissipe de l'énergie lorsqu'elle suit le déplacement de la ligne de contact. Un modèle récent, basé sur la théorie de l'élasticité non linéaire, soutient que le rapport de ces deux sources de dissipation est un paramètre crucial du système. Plus ce rapport est grand, plus la dissipation dans le substrat est importante par rapport à celle dans le liquide. Cette thèse met en valeur le rôle clé de ce rapport de dissipation, jusque-là inexploré. Nous avons fait dévaler des gouttes sur des gels de silicone, ce qui permet d'étudier à la fois le mouvement d'avancée et de reculée du liquide. Le rapport des dissipations des systèmes choisis varie sur quatre ordres de grandeurs. La forme des gouttes dépend fortement de ce paramètre. Lorsque le liquide dissipe autant d'énergie que le solide, on retrouve des formes proches du cas où le substrat est rigide : la goutte forme un coin arrière à mesure que sa vitesse augmente. Les coins sont cependant plus arrondis que dans le cas rigide. Lorsque le solide dissipe beaucoup plus que le liquide, les gouttes sont plus allongées et ne présentent plus de coin. La mesure de la vitesse des gouttes en fonction de leur poids retrouve ces deux cas de figures. Dans le premier cas, la vitesse augmente linéairement avec le poids, comme si le substrat ne jouait pas de rôle. Dans le second cas, la vitesse augmente toujours avec le poids, mais cette fois-ci la rhéologie du solide régit la dynamique. Nous avons aussi mesuré les angles de contact entre la goutte et le substrat en fonction de la vitesse. Augmenter le rapport de dissipation modifie progressivement la relation entre l'angle et la vitesse. Lorsque ce dernier est faible, on retrouve une courbe proche de celle de Cox-Voinov, largement utilisée pour décrire le mouillage sur un substrat rigide. Mais lorsque celui-ci augmente, la courbe adopte une pente de plus en plus forte à basse vitesse, et des plateaux de plus en plus en plus marqués à haute vitesse (en valeur absolue). Ceci explique l'allongement des gouttes à mesure que le substrat dissipe de plus en plus. Le modèle susnommé, en excellent accord avec nos résultats, prédit cette « hystérèse molle ». Cette mesure plus locale complète l'interprétation des mesures de pesée. En effet, les propriétés viscoélastiques du substrat affectent la dynamique de la goutte même lorsque celle-ci dissipe autant dans le liquide que dans le substrat. Malgré de fortes ressemblances avec le cas rigide, où seul le liquide dissipe, une simple approche « comme si » le substrat ne dissipait pas ne suffit plus à décrire les données. Dans tous les cas, la goutte laisse des gouttes derrière elle au-delà d'une certaine vitesse - c'est l'instabilité de perlage. Nos expériences vérifient la tendance prédite par le modèle : le seuil d'instabilité décroît avec le rapport de dissipation à angle d'équilibre constant. Le présent travail apporte aussi un nouvel éclairage sur l'échelle à laquelle les gouttes en coin s'arrondissent. Les mesures sur des lames de verre suggèrent des échelles moléculaires. Or, la longueur élastocapillaire, taille caractéristique de la déformation au niveau de la ligne de contact, semble se coupler avec l'échelle moléculaire pour définir la courbure du coin dans nos systèmes : plus celle-ci est petite, plus le coin est « pointu ». Ceci explique pourquoi les coins sont plus arrondis quand le substrat est viscoélastique. Une étude plus poussée est nécessaire afin de comprendre en détail le rôle de la longueur élastocapillaire.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03693902 , version 1 (13-06-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03693902 , version 1

Citer

Mathieu Oléron. Dynamic wetting of viscoelastic substrates. Materials Science [cond-mat.mtrl-sci]. Université Paris Cité, 2022. English. ⟨NNT : 2022UNIP7003⟩. ⟨tel-03693902⟩
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