Experimental study of liquid-solid slippage on smooth and textured surfaces
Étude expérimentale du glissement liquide-solide sur surfaces lisses et texturées
Résumé
This work is an experimental study of the hydrodynamic boundary condition of a simple liquid flowing along a solid wall. The three main elements of the original sub-micrometer resolution velocimetry method developed are microfluidic flow control, optical selection of a slice thanks to a wide numerical aperture microscope objective lens, and adaptation of Micro-Particle Image Velocimetry to the setup. The slip length is measured for water on smooth hydrophilic and hydrophobic surfaces. The results lead to a value inferior to 100~nanometers, the experiment's resolution. A possible amplification of the phenomenon by way of a spatial modulation of the hydrodynamic boundary condition is then expounded: micron scale patterns trap gas at the liquid---solid interface, which changes the structure of the flow and induces an effective slip length. The hydrodynamic properties of such surfaces are illustrated through two series of experiments. A volume modification of the velocity field is observed on striped microtextured substrates. A slip length of the order of 500~nanometers is measured on super-hydrophobic micropillar surfaces.
Les expériences réalisées au cours de cette thèse portent sur l'étude du glissement d'un liquide simple sur une paroi solide. Les trois éléments principaux de la méthode originale de mesure de vitesses, de résolution spatiale inférieure au micron, développée pendant ce travail sont le contrôle microfluidique d'un écoulement, une sélection optique du plan de mesure par un objectif de microscope de forte ouverture numérique, et l'adaptation de la vélocimétrie par images de particules au dispositif. La longueur de glissement intrinsèque de l'eau est mesurée sur des substrats lisses hydrophiles et hydrophobes. Nos résultats sont en accord avec une valeur inférieure à 100 nanomètres, la résolution de la mesure. Une possible amplification du phénomène par une modulation spatiale de la condition limite hydrodynamique est exposée: des substrats hydrophobes rugueux présentant sous certaines conditions un mouillage composite sont à l'origine des hétérogénéités. Le gaz piégé à l'interface liquide---solide modifie la structure de l'écoulement, et induit un glissement effectif. Nous réalisons deux séries d'expériences mettant en évidence les caractéristiques hydrodynamiques de telles surfaces. Sur des substrats microtexturés par des bandes nous mesurons une modification en volume du champ de vitesse, sensible au détail de la géométrie; des surfaces super-hydrophobes constituées de plots micrométriques amènent à un glissement effectif de l'ordre de 500~nanomètres.
