Dynamics of wetting droplets
Dynamiques de gouttelettes mouillantes
Résumé
This work presents the dynamics of liquid microdroplets deposited on a substrate in the case of complete wetting, when another process interferes with spontaneous spreading.
The first chapters, the main part of this manuscript, is devoted to the coupling between spreading and evaporation of a volatile liquid. Experiments were previously done by R.D. Deegan with pure water droplets deposited on freshly cleaved mica ten years ago. The receding dynamics of the contact line cannot be fully explained by a simple theory based on aerosol physics. Water is a very caracteristic fluid and mica is a ionized surface, this work was done again with more conventional fluids (like alkanes) and
substrates with which they haven't any specific interaction with the liquids used (silica wafer). We have performed this study in order to check if the difference was due to the particular water/mica system or was characteristic of an evaporation process in the presence of a wetting surface. Our results show that the receding dynamic of alkane/silica system is in good agreement with the previously quoted theory. Experiments with pure water on same wafer (with hydrophilic treatment) have completed this study. A behavior close to water/mica system is observed, so the substrate's choice is not the origin of the problem. A theoretical analysis was also done considering phenomena like disjoining pressure at the mesoscopic scale. This allowed to widen the existing model in order to qualitatively describe the specific behavior of water on an hydrophilic substrate.
The second part deals with the coupling between spreading and nematic elasticity in the case of liquid crystal droplets. This nematic elasticity is due to the presence of an antagonist anchoring at liquid crystal interfaces. On hydrophilic substrates, the atmosphere humidity rate is a relevant parameter because it controls the instabilities appearing at the contact line. The macroscopic spreading laws appears very abnormal in comparison with the usual liquid one. On hydrophobic substrate, instabilities at the contact line were not observed. Therefore, the spreading laws are always abnormal. A theoretical analysis can now be performed with the results of this study.
The first chapters, the main part of this manuscript, is devoted to the coupling between spreading and evaporation of a volatile liquid. Experiments were previously done by R.D. Deegan with pure water droplets deposited on freshly cleaved mica ten years ago. The receding dynamics of the contact line cannot be fully explained by a simple theory based on aerosol physics. Water is a very caracteristic fluid and mica is a ionized surface, this work was done again with more conventional fluids (like alkanes) and
substrates with which they haven't any specific interaction with the liquids used (silica wafer). We have performed this study in order to check if the difference was due to the particular water/mica system or was characteristic of an evaporation process in the presence of a wetting surface. Our results show that the receding dynamic of alkane/silica system is in good agreement with the previously quoted theory. Experiments with pure water on same wafer (with hydrophilic treatment) have completed this study. A behavior close to water/mica system is observed, so the substrate's choice is not the origin of the problem. A theoretical analysis was also done considering phenomena like disjoining pressure at the mesoscopic scale. This allowed to widen the existing model in order to qualitatively describe the specific behavior of water on an hydrophilic substrate.
The second part deals with the coupling between spreading and nematic elasticity in the case of liquid crystal droplets. This nematic elasticity is due to the presence of an antagonist anchoring at liquid crystal interfaces. On hydrophilic substrates, the atmosphere humidity rate is a relevant parameter because it controls the instabilities appearing at the contact line. The macroscopic spreading laws appears very abnormal in comparison with the usual liquid one. On hydrophobic substrate, instabilities at the contact line were not observed. Therefore, the spreading laws are always abnormal. A theoretical analysis can now be performed with the results of this study.
Ce présent travail de thèse porte sur l'étude de gouttelettes liquides mouillantes posées sur un substrat solide lorsqu'un autre phénomène se couple à l'étalement spontané.
La première partie, qui constitue l'essentiel du manuscrit, traite du couplage entre étalement et évaporation lorsque le liquide considéré est volatil. Des expériences, datant de plus de dix ans, ont été réalisées par R.D. Deegan avec de l'eau pure s'évaporant sur du mica fraîchement clivé. La dynamique de rétraction apparaissait alors sensiblement différente d'une théorie simple basée sur la physique des aérosols. Sachant que l'eau est un liquide très complexe et que le mica est une surface ionisée, nous avons choisi de reprendre cette étude en utilisant des liquides plus conventionnels (type alcanes volatils) et des substrats dont on sait qu'ils n'ont aucune interaction spécifique avec les liquides utilisés (pastilles de silicium). Ceci afin de vérifier si cette différence était due au système particulier eau/mica ou était caractéristique de l'évaporation d'un liquide en présence d'une surface totalement mouillante. Nos résultats montrent que la dynamique de rétraction du système alcane/silicium est en parfait accord avec la théorie précédemment citée. Nous avons complété cette étude en réalisant des expériences d'évaporation d'eau sur ces mêmes pastilles de silicium (traitées pour être hydrophiles). On observe alors un comportement proche du système eau/mica, ce qui montre que le choix du substrat n'est pas à l'origine du problème. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons également mené une étude plus théorique en considérant des effets tels que la pression de disjonction à l'échelle mésoscopique. Ceci nous a permis d'élargir le modèle théorique existant afin de rendre compte qualitativement du comportement spécifique de l'eau sur un substrat hydrophile.
La seconde partie traite du couplage entre étalement et élasticité nématique dans le cas de gouttes de cristaux liquides. Cette élasticité nématique est due à la présence d'un ancrage antagoniste aux interfaces du cristal liquide. Sur des substrats hydrophiles, le taux d'humidité de l'atmosphère apparaît comme un paramètre pertinent puisqu'il pilote les différentes instabilités apparaissant à la ligne de contact. Les lois d'étalement macroscopiques apparaissent également très anormales par comparaison avec les liquides usuels. Sur substrat hydrophobe, les instabilités ne se développent plus à la ligne de contact. Cependant, les lois d'étalement restent anormales. Cette étude fournit les bases nécessaires pour entreprendre une analyse théorique précise.
La première partie, qui constitue l'essentiel du manuscrit, traite du couplage entre étalement et évaporation lorsque le liquide considéré est volatil. Des expériences, datant de plus de dix ans, ont été réalisées par R.D. Deegan avec de l'eau pure s'évaporant sur du mica fraîchement clivé. La dynamique de rétraction apparaissait alors sensiblement différente d'une théorie simple basée sur la physique des aérosols. Sachant que l'eau est un liquide très complexe et que le mica est une surface ionisée, nous avons choisi de reprendre cette étude en utilisant des liquides plus conventionnels (type alcanes volatils) et des substrats dont on sait qu'ils n'ont aucune interaction spécifique avec les liquides utilisés (pastilles de silicium). Ceci afin de vérifier si cette différence était due au système particulier eau/mica ou était caractéristique de l'évaporation d'un liquide en présence d'une surface totalement mouillante. Nos résultats montrent que la dynamique de rétraction du système alcane/silicium est en parfait accord avec la théorie précédemment citée. Nous avons complété cette étude en réalisant des expériences d'évaporation d'eau sur ces mêmes pastilles de silicium (traitées pour être hydrophiles). On observe alors un comportement proche du système eau/mica, ce qui montre que le choix du substrat n'est pas à l'origine du problème. En parallèle à cette étude expérimentale, nous avons également mené une étude plus théorique en considérant des effets tels que la pression de disjonction à l'échelle mésoscopique. Ceci nous a permis d'élargir le modèle théorique existant afin de rendre compte qualitativement du comportement spécifique de l'eau sur un substrat hydrophile.
La seconde partie traite du couplage entre étalement et élasticité nématique dans le cas de gouttes de cristaux liquides. Cette élasticité nématique est due à la présence d'un ancrage antagoniste aux interfaces du cristal liquide. Sur des substrats hydrophiles, le taux d'humidité de l'atmosphère apparaît comme un paramètre pertinent puisqu'il pilote les différentes instabilités apparaissant à la ligne de contact. Les lois d'étalement macroscopiques apparaissent également très anormales par comparaison avec les liquides usuels. Sur substrat hydrophobe, les instabilités ne se développent plus à la ligne de contact. Cependant, les lois d'étalement restent anormales. Cette étude fournit les bases nécessaires pour entreprendre une analyse théorique précise.