Interactions entre contacts solides et cinétique de la condensation capillaire. Aspects macroscopiques et aspects microscopiques.
Résumé
This work concerns the influence of liquid bridges on macroscopical surfaces. It also deals with
the nucleation mechanism of this liquid bridge. The maximum stability angle in a granular material,
also called avalanche angle of glass beads in a rotating drum, is modified if there is some cohesion between
the beads. We have studied: i) the slow evolution of the avalanche angle with the resting time of the
heap. This is called the aging of the avalanche angle. We have shown that aging is not only influenced by
humidity but also by wear. The experiments indicate a smaller aging if the resting angle is far from the
avalanche angle. ii) We also report aging of the apparent friction coefficient of glass beads in presence of an
organic vapour of ethanol. This increase of the adhesion between the beads can be related to an increase
of the wetted area due to capillary condensation. In order to interpret this dynamics, we have studied the
metastability and the effects of nucleation of the capillary condensation. The energy barrier to condense
a liquid bridge is much larger than the thermal energy of the system when the width of the pore tends to
the critical nucleation distance. We then have proposed a model of thermally activated nucleation between
rough surfaces which explain our experiences on glass beads. We have built a new surface force apparatus
to study the statical and dynamical interactions at the length scale imposed by capillary condensation, i.e. at
nanometric level. First results in nanorheology of simple fluids in a confined geometry and of the influence
of the contact time and normal force on adhesion are reported.
the nucleation mechanism of this liquid bridge. The maximum stability angle in a granular material,
also called avalanche angle of glass beads in a rotating drum, is modified if there is some cohesion between
the beads. We have studied: i) the slow evolution of the avalanche angle with the resting time of the
heap. This is called the aging of the avalanche angle. We have shown that aging is not only influenced by
humidity but also by wear. The experiments indicate a smaller aging if the resting angle is far from the
avalanche angle. ii) We also report aging of the apparent friction coefficient of glass beads in presence of an
organic vapour of ethanol. This increase of the adhesion between the beads can be related to an increase
of the wetted area due to capillary condensation. In order to interpret this dynamics, we have studied the
metastability and the effects of nucleation of the capillary condensation. The energy barrier to condense
a liquid bridge is much larger than the thermal energy of the system when the width of the pore tends to
the critical nucleation distance. We then have proposed a model of thermally activated nucleation between
rough surfaces which explain our experiences on glass beads. We have built a new surface force apparatus
to study the statical and dynamical interactions at the length scale imposed by capillary condensation, i.e. at
nanometric level. First results in nanorheology of simple fluids in a confined geometry and of the influence
of the contact time and normal force on adhesion are reported.
L'angle d?avalanche d'un tas de billes de verre dans un cylindre est modifié en présence de
forces de cohésion. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'étude de l'évolution lente,
ou «vieillissement», de l'angle d'avalanche avec l'âge du tas. Nous avons montré que l'augmentation logarithmique
du coefficient de friction effectif entre les billes dépend de l'humidité de l'atmosphère, ce
qui peut être expliqué quantitativement par une augmentation progressive de la force d'adhésion due à
la condensation de liquide entre les grains. Nous avons également mis en évidence d'autres paramètres
influençant le vieillissement : usure, position du tas au repos ; et observé des effets de vieillissement en
présence d'éthanol. Nous avons étudié en détail la métastabilité et les effets de nucléation de la condensation
capillaire. Nous avons calculé l'énergie d'activation pour condenser un pont liquide entre deux surfaces
parallèles parfaitement lisses. Cette énergie d'activation diverge quand la taille du confinement s'approche
de la distance critique de nucléation. Ainsi, l'énergie d?activation est très souvent très supérieure à l'énergie
d'agitation thermique. Nous avons ensuite montré qu'il est possible de faire un modèle de condensation
capillaire thermiquement activé entre les rugosités des billes qui rend compte de la dépendance temporelle
du vieillissement observé avec les billes de verre. Enfin, nous avons construit un appareil à forces de surface
qui permet d'étudier les interactions statiques et dynamiques entre les surfaces à l'échelle du rayon de Kelvin,
c'est à dire à l'échelle du nanomètre. Après avoir décrit le principe et les performances de cet appareil,
nous exposons des premiers résultats concernant la nanorhéologie de fluides simples en milieu confiné ainsi
que des mesures de la dépendance de la force d'adhésion entre des surfaces de verre par rapport à la force
normale et au temps de contact.
forces de cohésion. Nous nous sommes intéressés dans un premier temps à l'étude de l'évolution lente,
ou «vieillissement», de l'angle d'avalanche avec l'âge du tas. Nous avons montré que l'augmentation logarithmique
du coefficient de friction effectif entre les billes dépend de l'humidité de l'atmosphère, ce
qui peut être expliqué quantitativement par une augmentation progressive de la force d'adhésion due à
la condensation de liquide entre les grains. Nous avons également mis en évidence d'autres paramètres
influençant le vieillissement : usure, position du tas au repos ; et observé des effets de vieillissement en
présence d'éthanol. Nous avons étudié en détail la métastabilité et les effets de nucléation de la condensation
capillaire. Nous avons calculé l'énergie d'activation pour condenser un pont liquide entre deux surfaces
parallèles parfaitement lisses. Cette énergie d'activation diverge quand la taille du confinement s'approche
de la distance critique de nucléation. Ainsi, l'énergie d?activation est très souvent très supérieure à l'énergie
d'agitation thermique. Nous avons ensuite montré qu'il est possible de faire un modèle de condensation
capillaire thermiquement activé entre les rugosités des billes qui rend compte de la dépendance temporelle
du vieillissement observé avec les billes de verre. Enfin, nous avons construit un appareil à forces de surface
qui permet d'étudier les interactions statiques et dynamiques entre les surfaces à l'échelle du rayon de Kelvin,
c'est à dire à l'échelle du nanomètre. Après avoir décrit le principe et les performances de cet appareil,
nous exposons des premiers résultats concernant la nanorhéologie de fluides simples en milieu confiné ainsi
que des mesures de la dépendance de la force d'adhésion entre des surfaces de verre par rapport à la force
normale et au temps de contact.