Le mouillage est l’étude de l’étalement d’un liquide sur la surface d’un solide. Phénomène omniprésent dans la vie quotidienne, sa maîtrise est un enjeu industriel majeur : refroidissement de réacteurs, microélectronique, nanofluidique... Bien qu’étudié depuis près de deux siècles, le problème de la ligne de contact échappe pourtant à la compréhension quantitative. La difficulté principale est que la physique de l’angle de contact fait intervenir un grand nombre d’échelles d’espace et de temps. D’une part, l’écoulement hydrodynamique dans le coin liquide est singulier à la ligne de contact et chaque décade d’échelle contribue de façon égale à la dissipation visqueuse, de l’échelle macroscopique, typiquement millimétrique, à l’échelle moléculaire, typiquement nanométrique. D’autre part, les surfaces réelles sont rugueuses et hétérogènes chimiquement, et lorsque la ligne est laissée au repos elle est piégée par ce désordre de surface et relaxe très lentement vers l’équilibre, sans jamais l’atteindre aux échelles de temps accessibles. Ce phénomène est appelé hystérésis de l’angle de contact.
Durant cette thèse, nous avons d’abord développé un dispositif expérimental permettant de mesurer la dynamique de l’angle de contact avec une précision record de 0,01° sur 7 décades de vitesses de la ligne triple, gamme jamais atteinte auparavant. Pour la première fois, la résolution numérique des équations de lubrification a permis de déduire l’angle de contact à l’échelle microscopique de ces mesures macroscopiques, découplant donc le problème hydrodynamique multi-échelles de la physique de la ligne de contact à petite échelle. Avec ces outils, nous avons montré qu’une pseudo-brosse -une couche nanométrique de polymères- peut complètement piloter la dynamique, en produisant des hystérésis les plus faibles jamais mesurées (< 0,07° !) et des sur-dissipations massives provenant de la nature visco-élastique de la couche. Cette étude ouvre la voie à la nano-rhéologie, permettant de sonder la dynamique extrêmement rapide ( 100 ns) de polymères confinés à l’échelle nanométrique. Grâce à un travail collaboratif fructueux, nous avons ensuite développé un modèle permettant de décrire quantitativement et de façon unifiée la dissipation hydrodynamique, l’hystérésis et l’activation thermique. Enfin, beaucoup d’efforts ont été fournis pour la fabrication de surfaces aux défauts nanométriques contrôlés en taille, forme et concentration. La dynamique s’est révélée insensible à cette échelle de désordre, la présence des défauts n’affectant que l’hystérésis. Ces résultats ont été interprétés semi-quantitativement avec des lois d’échelle, et la caractérisation complète des défauts devrait permettre à terme de développer de nouveaux modèles, qui décrivent quantitativement la relation entre les propriétés microscopiques de la surface et la dynamique de mouillage à l’échelle macroscopique.
RECRUTEMENT ACCES DIRECT
Le département de physique
Le Laboratoire de Physique de l’ENS 