Dynamic of the contact line at the nanoscale
Dynamique de la ligne de contact à l'échelle nanoscopique
Résumé
When a drop is deposited on a surface, the three phases - solid, liquid and air - meet at a line : the contact line. The physics of this line is a complex multi-scale problem that requires the coupling of hydrodynamic effects and molecular mechanisms. The chemical composition of the surface and surface defects at the contact line have an impact on the macroscopic behaviour of the drop. The study of the dynamics of the line at the nanometre scale therefore takes on its full meaning. To tackle this subject, we are using an experimental set-up based on dipping a nanocylinder, the diameter of which varies from 15 to 1000 nm depending on the experiment, in a liquid interface. This nanofibre is manipulated using an atomic force microscope (AFM). This thesis focuses on the use of two modes of this tool : contact mode for measuring capillary force and frequency modulation (FM) mode for measuring dissipation. Numerical simulations using the free Surface Evolver software were used to better interpret the experimental data. Experiments carried out in contact mode revealed a new physical phenomenon of molecular desorption. We have shown that the surface energy of a nanofibre changes as a function of the number of successive dipping cycles in a liquid, while the topography remains strictly unchan- ged. The opposite trend is observed when the fibre is left in the open air. A large number of experiments have been carried out, enabling us to propose a mechanism based on the adsorption of atmospheric molecular contaminants on the tip and their desorption by soaking in the liquid. Specific experiments have shown that only the areas swept by the contact line are cleaned. Molecular desorption therefore takes place as the contact line passes, which is justified by the fact that the distortions of the contact line on a nanometric scale generate a capillary energy of the same order of magnitude as the adsorption energy of the pollutants. Desorption of atmospheric pollutants is therefore effective after about fifteen dipping cycles. This characteristic number of dips depends on the molecules adsorbed and not on the liquid used or the speed of the contact line, which is compatible with the proposed capillary mechanism. However, this mechanism re- mains to be clarified, in particular by carrying out experiments in a controlled atmosphere and molecular dynamics simulations. On the other hand, this new type of molecular desorption opens up new prospects for cleaning on a molecular scale. Other experiments using the FM mode have enabled us to understand the impact of a topographical defect on the displacement of a contact line. The presence of a defect generates a particular signature on the force curves obtained in contact mode and a characteristic peak on the dissipation curves above a threshold oscillation amplitude. The energy dissipated depends on the surface tensions of the various interfaces and the topography of the defects. An important observation is that the dissipated energy does not depend on the speed of the contact line and therefore on viscous mechanisms as suggested by models. A dissipation mechanism independent of viscosity has therefore been demonstrated. At the same time, numerical simulations were used to estimate the size of the defects present on the nanofibre used. The use of an AFM microscope as part of this thesis has enabled a better understanding of the interactions of the contact line with surface defects or the molecules adsorbed onto them. These studies at the nanometric scale shed new light on the dynamics of the contact line and may lead us to revisit its description.
Lorsqu’une goutte est déposée sur une surface, les trois phases solide, liquide et air se rejoignent au niveau d’une ligne : la ligne de contact. La physique de cette ligne est un problème multi-échelle complexe qui nécessite de coupler effets hydrodynamiques et mécanismes moléculaires. La composition chimique de la surface et les défauts de surface au niveau de la ligne de contact ont ainsi un impact sur le comportement macroscopique de la goutte. L’étude de la dynamique de la ligne à l’échelle du nanomètre prend alors tout son sens. Pour aborder ce sujet, nous utilisons un montage expérimental basé sur le trempage à une interface liquide d’un nanocylindre dont le diamètre varie de 15 à 1000 nm selon les expériences. Cette nanofibre est manipulée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Cette thèse s’articule ainsi autour de l’utilisation de deux modes de cet outil : le mode contact pour la mesure de la force capillaire et le mode modulation de fréquence (FM) pour la mesure de la dissipation. Des simulations numériques mises en œuvre à l’aide du logiciel libre Surface Evolver permettent une meilleure interprétation des données expérimentales. De expériences réalisées en mode contact ont permis de mettre en évidence un nouveau phénomène physique de désorption moléculaire. Nous avons montré que l’énergie de surface d’une nanofibre évolue en fonction du nombre de trempages successifs dans un liquide, alors que la topographie reste strictement inchangée. Une évolution contraire est observée lorsque la fibre est laissée à l’air libre. La réalisation d’un grand nombre d’expériences permet de proposer un mécanisme basé sur l’adsorption sur la pointe de contaminants moléculaires atmosphériques et de leur désorption par trempage dans le liquide. Des expériences spécifiques ont démontré que seules les zones balayées par la ligne de contact sont nettoyées. La désorption moléculaire a donc lieu au passage de la ligne de contact, ce qui est justifié par le fait que les distorsions de la ligne de contact à l’échelle nanométrique génèrent une énergie capillaire du même ordre de grandeur que l’énergie d’adsorption des polluants. Une désorption de polluants atmosphérique est alors effective après une quinzaine de trempages. Ce nombre caractéristique de trempage dépend des molécules adsorbées et pas du liquide utilisé ni de la vitesse de la ligne de contact, ce qui est compatible avec le mécanisme capillaire proposé. Cependant, ce mécanisme reste à être précisé, notamment par la réalisation d’expériences en atmosphère contrôlée et de simulations de dynamique moléculaire. D’autre part, ce nouveau type de désorption moléculaire ouvre de nouvelles perspectives pour le nettoyage à l’échelle moléculaire. D’autres expériences utilisant le mode FM ont permis de comprendre l’impact d’un défaut topographique sur le déplacement d’une ligne de contact. En effet, la présence d’un défaut génère une signature particulière sur les courbes de force obtenues en mode contact et un pic caractéristique sur les courbes de dissipation au-delà d’une amplitude d’oscillation seuil. L’énergie dissipée dépend des tensions de surfaces des différentes interfaces et de la topographie des défauts. Une observation importante est que l’énergie dissipée ne dépend pas de la vitesse de la ligne de contact et donc de mécanismes visqueux comme suggéré par des modèles. Ainsi, un mécanisme de dissipation indépendant de la viscosité a été mis en évidence. Parallèlement, les simulations numériques ont permis d’estimer la taille des défauts présents sur la nanofibre utilisée. L’utilisation d’un microscope AFM dans le cadre de cette thèse a permis de mieux comprendre les interactions de la ligne de contact avec des défauts de surface ou les molécules qui y sont adsorbées. Ces études à l’échelle nanométrique apportent ainsi un éclairage nouveau sur la dynamique de la ligne de contact et peuvent amener à revisiter sa description.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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