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Fiche détaillée Thèses
Université Pierre et Marie Curie - Paris VI (2003-07-16), Guenoun Patrick (Dir.)
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Mouillage à l'échelle nanométrique : effet des forces à longue portée et des hétérogénéités du substrat
Antonio Checco1

Alors que les phénomènes de mouillage aux petites échelles connaissent un regain d'intérêt soit théorique soit expérimental en vue de nouvelles applications, leur compréhension reste encore limitée. Dans ce contexte, ce travail a porté sur l'étude du mouillage de gouttes d'alcanes de taille nanométrique sur de surfaces "modèles" réalisées par auto-assemblage de monocouches organiques. Cela a demandé la mise au point d'une nouvelle technique de Microscopie à Force Atomique (AFM) en mode "non-contact" permettant d'imager, avec peu d'artefacts, des gouttes de taille variable condensées directement sur des surfaces solides. Nous avons montré ainsi que l'angle de mouillage des alcanes sur des surfaces silanisées, faiblement hétérogènes, diminue sensiblement à partir de sa valeur macroscopique lorsque la taille des gouttes devient submicronique. Dans ce système, régi par des interactions à longue portée purement dispersives, la tension de ligne est théoriquement trop faible pour être responsable de l'effet observé. Nous avons donc supposé que les hétérogénéités chimiques mésoscopiques du substrat affectent l'angle de mouillage lorsque la taille des gouttes devient suffisamment petite. Ce scénario a été validé par des simulations numériques basées sur un modèle simplié de la distribution de défauts du substrat. Des expériences similaires, réalisées sur des substrats différents (monocouches d'alcanethiols auto-assemblés sur or et de chaînes alkyles greffées sur silicium), ont aussi mis en évidence l'effet dominant des hétérogénéités physico-chimiques faibles du solide sur le mouillage aux petites échelles. Finalement, pour illustrer ultérieurement les potentialités de la technique AFM ici développée, nous avons étudié le mouillage de surfaces nano-structurées et la mouillabilité locale de la surface du cheveu.
1 :  SPEC - URA 2464 - Service de physique de l'état condensé
mouillage – alcanes – monocouches auto-assemblées – microscopie à force atomique – tension de ligne – surfaces hétérogènes

Wetting phenomena on the nanoscale remain poorly understood in spite of their growing theoretical and practical interest. In this context, the present work aimed at studying partial wetting of nanometer-sized alkane droplets on "model" surfaces build by self-assembly of organic monolayers. For this purpose a novel technique, based on "noncontact" Atomic Force Microscopy (AFM), has been developed to image, with minimal artefacts, drops of adjustable size directly condensed on solid surfaces. We have thus shown that contact angle of alkanes, wetting a weakly heterogeneous, silanized substrate, noticeably decreases from its macroscopic value for droplets sizes in the submicron range. The line tension, arising in this case from purely dispersive long-range interactions between the liquid and the substrate, is theoretically too weak to be responsible for the observed effect. Therefore we have supposed that contact angle is affected by mesoscopic chemical heterogeneities of the substrate whenever the droplets size becomes suciently small. This scenario has been supported by numerical simulations based on a simplified model of the spatial distribution of surface defects. Similar experiments, performed on different substrates (monolayers made of alcanethiols self-assembled on gold and of alkyl chains covalently bound onto a silicon surface), have also shown that wetting on small scales is strongly affected by minimal physical and chemical surface heterogeneities. Finally, to provide further examples of the potential of the above mentioned AFM technique, we have studied the wettability of nano-structured surfaces and the local wetting properties of hair.