Charge-flow coupling in nanoscale water films in sphere-plane geometry
Couplage charge-flux dans les films d'eau nanométriques en géométrie sphère-plan
Résumé
The properties of electrolytes in contact with a charged solid surface have been a matter of interest for a long time. Recent progress in experimental and theoretical studies have shown that the liquid flow at micro and nanoscale behave differently from that at the macroscale. When the dimensions are reduced, the surface properties are predominant for the flow behaviour at contact with the surface. For an even smaller thickness when the fluid experiences a high confinement, not only the physico-chemical of the confining surfaces are important, their elastic behaviour should also be taken into account.This thesis presents a theoretical study of the properties of confined electrolytes and mechanics of electric double layer in a sphere-plane geometry, where the sphere is mounted on a cantilever system that oscillates close to a solid wall. We derive the electrokinetic interactions via the coupling of electric current and Poiseuille flow. The volume and charge flows are closed by Gauss' law and an advection-diffusion equation for the ions.We obtained the electroviscous force, without applying the linearization approximation, used in previous work. This work provides a brief reminder of Poisson-Boltzmann theory and the static repulsive force. Then we develop the formal apparatus for charge-flow coupling, derive the electroviscous drag coefficient, and compare various analytical approximations with the numerical computation. We make a short study of the visco-elastic response, as a function of the product of the driving frequency and the relaxation time. Finally, we compare the effects of considering a constant charge or a constant surface potential and contrast dynamic-AFM measurements with our theoretical findings.
Les propriétés des électrolytes en contact avec une surface solide chargée sont un sujet d'intérêt depuis longtemps. Les progrès récents dans les études expérimentales et théoriques ont montré que l'écoulement liquide à l'échelle micro et nanométrique se comporte différemment de celui à l'échelle macroscopique. Lorsque les dimensions sont réduites, les propriétés de surface sont prédominantes pour le comportement de l'écoulement au contact de la surface. Pour une épaisseur encore plus petite, lorsque le fluide subit un confinement élevé, non seulement les propriétés physico-chimiques des surfaces de confinement sont importantes, mais leur comportement élastique doit également être pris en compte.Cette thèse présente une étude théorique des propriétés des électrolytes confinés et de la mécanique de la double couche électrique dans une géométrie sphère-plan, où la sphère est montée sur un système cantilever qui oscille près d'une paroi solide. Nous dérivons les interactions électrocinétiques via le couplage du courant électrique et du flux de Poiseuille. Les flux de volume et de charge sont fermés par la loi de Gauss et une équation d'advection-diffusion pour les ions.Nous avons obtenu la force électrovisqueuse, sans appliquer l'approximation de linéarisation, utilisée dans les travaux précédents. Ce travail fournit un bref rappel de la théorie de Poisson-Boltzmann et de la force répulsive statique. Ensuite, nous développons l'appareil formel pour le couplage charge-flux, nous dérivons le coefficient de traînée électrovisqueuse, et nous comparons diverses approximations analytiques avec le calcul numérique. Nous faisons une brève étude de la réponse visco-élastique, en fonction du produit de la fréquence d'entraînement et du temps de relaxation. Enfin, nous comparons les effets de la prise en compte d'une charge constante ou d'un potentiel de surface constant et nous confrontons les mesures dynamiques d'AFM à nos résultats théoriques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)