experimental study of the molecular mecanism of frictionat simple liquids / solid interfaces:role of the liquid-solid interactions and of a nanometric substrate roughness on the slippage
étude expérimentale des mécanismes moléculaires de la friction fluides simples/solide: rôle des interactions et de la rugosité à l'échelle nanométrique
Résumé
In this work, we present results related to the slippage of simple liquids sheared against a solid boundary and analyze how it depends on the interactions between the liquid and the solid as well as on a controlled nanometric surface roughness. The experimental technique we have used to determine the slip velocity relies on measuring the mean velocity of the fluid close to the solid wall using Near Field Laser Velocimetry (NFLV). Past experiments have shown that a simple liquid such as hexadecane could slip at the wall on totally and partially wetted surfaces. We adapted the existing NFLV technique to study another simple liquid, squalane, with similar physical and chemical properties but different geometrical shapes. Our results show that squalane as well as hexadecane slips on different smooth solid surfaces. The slip length is found to be much greater than the fluid's molecular size. This slip is always smaller on wetted surfaces rather than non-wetted surfaces. Squalane slips always less than hexadecane on the same surface, showing that the shape of the molecule is crucial in determining the magnitude of the slip length. Hexadecane has indeed on average a cigar shape whereas squalane is more spherical. The systematic effect of a nanometric roughness on slippage was studied using hexadecane. A well controlled nanometric roughness was achieved by grafting hyperbranched polymer nanoparticules on a dense monolayer of SiH terminated oligomeres, varying the size and the surface density of the nanoparticules. Importance of the respectives roles of height and lateral lengths of the surface roughness on the decrease of the slip at the wall is qualitatively discussed.
Dans nos expériences nous étudions les mécanismes moléculaires de la friction aux interfaces solide-liquides simples et tout particulièrement le rôle des interactions solide-liquide et de la rugosité, à l'échelle nanométrique. Nous utilisons une technique de vélocimétrie laser en champ proche (VLCP) développée récemment au laboratoire et qui permet de mesurer directement la vitesse moyenne du fluide à la paroi. Les précédentes expériences avaient mis en évidence qu'un liquide simple l'hexadécane, glissait à la paroi, en condition de mouillage total ou en condition de mouillage partiel. Nous élargissons la technique de la VLCP pour l'étude d'un autre liquide simple, le squalane en apportant des modifications sur les conditions expérimentales à appliquer. Les résultats sur différentes surfaces lisses, en condition de mouillage total ou en condition de mouillage partiel, montrent que le squalane tout comme l'hexadécane, présente un glissement à la paroi (la longueur de glissement observée est beaucoup plus grande que la dimension des molécules de fluides). Ce glissement est moins important sur surface mouillante que sur surface non-mouillante, mais est toujours présent. Cependant le squalane glisse toujours moins que l'hexadécane sur surface identique. Nous attribuons cette différence vis à vis du glissement, à la forme de la molécule de liquide. En effet, pour une tension superficielle voisine, la molécule de squalane (alcane ramifié) est beaucoup plus ronde et compacte que celle de l'hexadécane (alcane linéaire). Pour caractériser les effets de la rugosité sur le glissement, nous avons étudié le comportement de l'hexadécane sur différentes surfaces à rugosité contrôlée à l'échelle nanométrique. Ces surfaces sont fabriquées en greffant sur une monocouche lisse d'oligomères SiH terminés, des nanoparticules de polymères hyperbranchés dont on fait varier la dimension et la densité de greffage. Nous présentons qualitativement les rôles respectifs de la hauteur et de la dimension latérale de la rugosité sur la diminution du glissement à la paroi. Ces résultats sont comparés avec les récentes simulations numériques.