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Theses Year : 2011

Static and Dynamic Wetting: Geometrical Effects at Molecular Scales

Mouillage statique et dynamique : Influences géométriques aux échelles moléculaires

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Antonin Marchand
  • Function : Author
  • PersonId : 916950

Abstract

This thesis highlights different geometric effects involved in wetting phenomena. The first part is dedicated to the development of a model of interactions in liquids to determine, from the geometry of the interface, the distribution of capillary forces at a molecular level. In this context we propose an new microscopic interpretation of Young's force balance that leads to the equilibrium contact angle in a corner of fluid. In the second part, this model is applied to phenomena as line tension, electrowetting and elastocapillary interactions -- these all involve capillary forces at molecular scales. The effects of line tension are studied by molecular dynamics simulations of nanodrops, and we present a geometrical interpretation of the phenomenon. The existence of a pre-wetting film is predicted during the saturation of the phenomenon of electrowetting. The microscopic capillary model also shows a peculiar distribution of forces in the solid in the vicinity of the contact line, which can be observed when the substrate is deformable. In particular, the model predicts an additional Laplace pressure when a solid is immersed in a liquid -- this is confirmed experimentally. We also study the influence of the wettability of liquids on the bending and buckling of an elastic plate under the influence of capillary forces. Finally, the dynamic transition of air entrainment is examined, and we highlight the crucial role of dissipation in the air flow when it is driven and confined by the liquid.
Cette thèse met en évidence différents effets géométriques intervenant dans des phénomènes de mouillage. La première partie est dédiée à l'élaboration d'un modèle d'interactions dans le liquide permettant de déterminer, à partir de la géométrie de l'interface, la distribution des forces capillaires à l'échelle moléculaire. Nous proposons dans ce cadre une interprétation de la construction d'Young en tant qu'équilibre des forces dans un coin de liquide. Ce modèle est ensuite appliqué dans la deuxième partie à diverses situations mettant en jeu la capillarité aux échelles moléculaires. La tension de ligne est étudiée grâce à des simulations de dynamique moléculaire et une interprétation géométrique du phénomène est présentée. L'existence d'un film de prémouillage est prédite lors de la saturation du phénomène d'électromouillage. Ce modèle fait en outre ressortir une distribution des forces tout à fait particulière dans un solide au voisinage de la ligne de contact, dont les effets ne sont visibles que lorsque le substrat est déformable. Ainsi, une confirmation expérimentale de l'existence d'une pression de Laplace supplémentaire lorsqu'un solide est immergé est apportée. Nous étudions ensuite l'influence de la mouillabilité du liquide sur le fléchissement et le flambage d'une plaque élastique sous l'effet de cette distribution de forces capillaires. Pour finir, la transition de démouillage dynamique par entraînement d'air est examinée, et nous mettons en évidence le rôle crucial de la dissipation dans l'écoulement de l'air lorsque celui-ci est entraîné et confiné sous le liquide.
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Dates and versions

pastel-00656423 , version 1 (04-01-2012)

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  • HAL Id : pastel-00656423 , version 1

Cite

Antonin Marchand. Mouillage statique et dynamique : Influences géométriques aux échelles moléculaires. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Paris-Diderot - Paris VII, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00656423⟩
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