Nano-rheology at soft interfaces probed by atomic force microscope
Nano-rhéologie aux interfaces molles sondées par microscope à force atomique
Résumé
Recent progresses in experimental and theoretical studies have shown that the liquid flow at micro/nano scale behaves differently from that at macroscale. At microscale, surface properties are predominant for the flow behavior at the boundaries. For high confinement, not only the physico-chemistry of the confining surfaces are important, their elastic behavior should also be taken into account. In this thesis, we used the dynamic colloidal AFM to probe the confined flow at soft surfaces (Air bubbles and PDMS samples) and we have shown that:• At the air-water interface, the presence of surfactant impurities modifies the flow near the interfaces in a drastic manner, which leads to the viscoelastic responses. The viscous and elastic forces acting on the sphere are extracted from the measurement of the sphere motion. Due to the surfactant contamination, the viscous force shows a crossover from non-slip to full slip boundary conditions and the elastic force also appears with a comparable value to viscous force.• At small distance, the viscous pressure induced by the colloidal probe vibration deforms the bubble surface and gives rise to the visco-capillary interaction. Thermal noise excitation or external acoustic excitation are used to drive the AFM probe. To explain our measurements, we have developed a simplified model based on a spring-dashpot in series and we have also performed numerical solution of the Navier-Stokes equation combined with Laplace-Young equation. Fitting our experimental results allow us to measure the surface tension of bubble interface without contact.• The AFM cantilever is a powerful tool to probe the thermal motion of the hemispherical bubble interface. The spectrum of such nanoscale thermal oscillations of the bubble surface presents several resonance peaks and reveals that the contact line of the hemispherical bubble is fixed on the substrate. The surface viscosity of the bubble interface due to the surfactant contamination is obtained from the analysis of these peaks.• An elastohydrodynamic lift force is acting on a sphere moving near and along a soft substrate within a viscous liquid. The lift force is probed as a function of the gap size, for various driving velocities, liquid viscosities, and sample stiffnesses. At large distance, the experimental results are in excellent agreement with a model developed from the soft lubrication theory. At small gap distance, a saturation of the lift force is observed and a scaling law for this saturation is given and discussed.
Des progrès récents dans les études expérimentales et théoriques ont montré que l'écoulement d’un liquide à l'échelle micro/nano se comporte différemment de celui à l'échelle macroscopique. À l'échelle microscopique, les propriétés des surfaces sont prédominantes pour le comportement d'écoulement proche des parois. Pour un confinement élevé, non seulement les propriétés physico-chimie des parois sont importantes, mais leur comportement élastique doit également être pris en compte. Dans cette thèse, nous avons utilisé l'AFM dynamique à sonde colloïdal pour étudier l’écoulement confiné sur des surfaces molles (bulles d'air et échantillons PDMS) et nous avons montré que:• A l'interface air-eau, la présence de faible trace de tensioactifs modifie le flux à proximité des interfaces de manière drastique, ce qui conduit à une réponse viscoélastique. Les forces visqueuses et élastiques agissant sur la sphère sont extraites de la mesure du mouvement de la sphère. En raison de la contamination par l'agent tensioactif, la force visqueuse présente un passage d’une condition aux limites non-glissante sur la bulle à une condition aux limites de glissement parfait en augmentant la fréquence d’oscillation de la sphère. La force élastique apparaît également avec une valeur comparable à la force visqueuse.• A faible distance, la pression visqueuse induite par la vibration de la sonde colloïdale déforme la surface de la bulle et donne lieu à l'interaction visco-capillaire. Une excitation par bruit thermique ou une excitation acoustique externe sont utilisées pour induire les vibration la sonde AFM. Pour expliquer nos mesures, nous avons développé un modèle simplifié basé sur un ressort-dissipateur en série et nous avons également effectué la résolution numérique de l'équation de Navier-Stokes combinée à l'équation de Laplace-Young. L'ajustement de nos résultats expérimentaux nous permet de mesurer la tension superficielle de l'interface de la bulle sans contact.• Le levier AFM est un outil puissant pour sonder le mouvement thermique de l'interface de la bulle hémisphérique. Le spectre de telles oscillations thermiques nanométriques de la surface de la bulle présente plusieurs pics de résonance et révèle que la ligne de contact de la bulle hémisphérique est fixée sur le substrat. La viscosité de surface de l'interface due à la contamination par le tensioactif est obtenue à partir de l'analyse de ces pics.• Une force de portance élasto-hydrodynamique agit sur une sphère se déplaçant à proximité et le long d'un substrat mou dans un liquide visqueux. La force de portance est sondée en fonction de la taille de l’écoulement, pour diverses vitesses de la sphère, viscosités du liquide et rigidité de l'échantillon. À grande distance, les résultats expérimentaux sont en excellent accord avec un modèle développé à partir de la théorie de la lubrification. À petite distance, une saturation de la force de portance est observée et une loi d'échelle pour cette saturation est donnée et discutée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)