Physique de l`Etat Condensé CEA/Saclay Mouillage `a l

Physique de l’Etat Condensé
SPEC – DRECAM – DSM
S03/063
CCSD/tel-00003501
CEA/Saclay
Mouillage à l’échelle nanométrique : effet des forces à longue
portée et des hétérogénéités du substrat
A. Checco
Service de Physique de l’Etat Condensé, DSM/DRECAM/SPEC - CNRS/SPM/URA 2464
CEA/Saclay, F-91191 Gif-sur-Yvette Cedex, FRANCE
RESUME
Alors que les phnomnes de mouillage aux petites chelles connaissent un
regain d’intrt soit thorique soit exprimental en vue de nouvelles applications, leur
comprhension reste encore limite. Dans ce contexte, ce travail a port sur l’tude
du mouillage de gouttes d’alcanes de taille nanomtrique sur de surfaces ”modles”
ralises par auto-assemblage de monocouches organiques. Cela a demand la mise
au point d’une nouvelle technique de Microscopie Force Atomique (AFM) en
mode ”non-contact” permettant d’imager, avec peu d’artefacts, des gouttes de
taille variable condenses directement sur des surfaces solides. Nous avons montr
ainsi que l’angle de mouillage des alcanes sur des surfaces silanises, faiblement
htrognes, diminue sensiblement partir de sa valeur macroscopique lorsque la taille
des gouttes devient submicronique. Dans ce systme, rgi par des interactions longue
porte purement dispersives, la tension de ligne est thoriquement trop faible pour tre
responsable de l’effet observ. Nous avons donc suppos que les htrognits chimiques
msoscopiques du substrat affectent l’angle de mouillage lorsque la taille des gouttes
devient suffisamment petite. Ce scnario a t valid par des simulations numriques
bases sur un modle simplifi de la distribution de dfauts du substrat. Des expriences
similaires, ralises sur des substrats diffrents (monocouches d’alcanethiols autoassembls sur or et de chanes alkyles greffes sur silicium), ont aussi mis en vidence
l’effet dominant des htrognits physico-chimiques faibles du solide sur le mouillage
aux petites chelles. Finalement, pour illustrer ultrieurement les potentialits de
la technique AFM ici dveloppe, nous avons tudi le mouillage de surfaces nanostructures et la mouillabilit locale de la surface du cheveu.
Keywords: Mouillage, alcanes, monocouches auto-assemblées, microscopie à
force atomique, tension de ligne, surfaces hétérogènes
Thèse de Doctorat
Université Paris VI
16 juillet 2003
Guenoun P. Directeur
Rapport interne
Wetting phenomena on the nanoscale remain poorly understood in spite of their
growing theoretical and practical interest. In this context, the present work aimed
at studying wetting of nanometer-sized alkane droplets on ”model” surfaces build
by self-assembly of organic monolayers. For this purpose a novel technique, based
on ”noncontact” Atomic Force Microscopy (AFM), has been developed to image,
with minimal artefacts, drops of adjustable size directly condensed on solid surfaces.
We have thus shown that contact angle of alkanes, wetting a weakly heterogeneous,
silanized substrate, noticeably decreases from its macroscopic value for droplets sizes
in the submicron range. The line tension, arising in this case from purely dispersive
long-range interactions between the liquid and the substrate, is theoretically too weak
to be responsible for the observed effect. Therefore we have supposed that contact
angle is affected by mesoscopic chemical heterogeneities of the substrate whenever
the droplets size becomes sufficiently small. This scenario has been supported by
numerical simulations based on a simplified model of the spatial distribution of
surface defects. Similar experiments, performed on substrates (monolayers made of
alcanethiols self-assembled on gold and of alkyl chains covalently bound onto a silicon
surface), have also shown that wetting on small scales is strongly affected by minimal
physical and chemical surface heterogeneities. Finally, to provide further examples of
the potential of the above mentioned AFM technique, we have studied the wettability
of nano-structured surfaces and the local wetting properties of hair.