Brownian motion of partially wetted colloidal particles
Mouvement brownien des particules colloïdales partiellement mouillées
Résumé
The dynamics of colloidal particles at the interface between two fluids plays a central role in micro-rheology, encapsulation, emulsification, biofilms formation and water remediation. Moreover, this subject is also challenging from a theoretical point of view because of the complexity of hydrodynamics at the interface and of the role of the contact line. Despite this great interest, the behavior of a single particle at a fluid interface was never directly characterized.In this thesis, we study the Brownian motion of micrometric spherical silica beads and anisotropic polystyrene spheroids at a flat air-water interface. We fully characterize and control all the experimentally relevant parameters. The bead contact angle is finely tuned in the range 30-140° by surface treatments and measured in situ by a homemade Vertical Scanning Interferometer. The spheroid aspect ratio varies in the range 1 – 10 by stretching of commercial beads. The translational and the rotational dynamics are followed by particle tracking.Counter-intuitively, and against all hydrodynamic models, the diffusion is much slower than expected. To explain this extra dissipation we devised a model considering the contribution of thermally activated fluctuations of the interface at the triple line. Such fluctuations couple with the lateral movement of the particle via random forces that add to the ones due to the shocks of surroundings molecules. Fluctuation-dissipation theorem allows obtaining the extra friction associated to this additional mechanism. The fitting values of the total friction are discussed in term of the typical scales of particle surface heterogeneities and of surface capillary waves.
La dynamique de particules colloïdales à l'interface entre deux fluides joue un rôle central dans la micro-rhéologie, l'encapsulation, l'émulsification, la formation de biofilms, la décontamination de l'eau. En outre, ce sujet est également stimulant d'un point de vue théorique en raison de la complexité de l'hydrodynamique à l'interface et du rôle de la ligne de contact. Malgré ce grand intérêt, le comportement d'une particule à une interface fluide n'a jamais été caractérisé directement. Dans cette thèse, nous étudions le mouvement brownien de billes micrométriques de silice et de sphéroïdes de polystyrène à une interface eau-air. Nous contrôlons expérimentalement tous les paramètres d'intérêt. L'angle de contact des billes est finement ajusté dans la gamme 30°-140° par des traitements chimiques de surface et mesuré in situ par interférométrie. Le rapport d'aspect de particules sphéroïdales varie dans la gamme 1 -10 par étirage de billes sphériques commerciales. Les dynamiques de translation et de rotation sont suivies par particle tracking. Contre intuitivement et contre tous les modèles hydrodynamiques la diffusion est beaucoup plus lente que prévu. Pour expliquer cette dissipation supplémentaire nous concevons un modèle tenant compte de la contribution des fluctuations thermiques de l'interface à la ligne de contact. Les fluctuations donnent origine à des forces aléatoires qui s'ajoutent à celles dues aux chocs de molécules. Le théorème de fluctuation-dissipation permet d'obtenir la friction supplémentaire associée à ces forces flottantes. La friction totale est discutée en termes d'hétérogénéités de la surface des particules et d'ondes capillaires à l'interface.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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