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Theses Year : 2021

Flows at molecular scales : probing and manipulating ultra-thin liquid films

Ecoulements aux échelles moléculaires : étude et contrôle de films liquides ultra minces

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Abstract

A hydrodynamic description of liquids at very small scales requires to consider effects specific to these scales, such as intermolecular forces. We have investigated these effects by studying the behavior of supported liquid films of thicknesses of a few tens of microns, that are driven by thermal gradients. The Marangoni flows resulting from the thermal gradients allow a controlled dewetting of the liquid films. Using two different optical techniques, we have measured the height profiles of these films as a function of time, for thicknesses spanning 3 decades and with a resolution of a few nanometers. The experimental thinning dynamics is discussed with the help of a numerical resolution of the thin-film equation. We show that the thermocapillarity effect produces a local regime which is solely characterised by the interplay of the surface tension gradient and the disjoining pressure. The resulting master evolution allows to fully characterise the gradient of the thermal field. Deviations from this master curve result from the effect of intermolecular forces, and the derivative of a disjoining pressure could be obtained from experimental data for thicknesses ranging from 10 to 100nm. In the case of wetting liquids (silicone oils on a glass substrate), the disjoining pressure follows a power-law with thickness that cannot be described by the commonly assumed van der Waals model. In addition, we provide results on unstable films of two alkanes on the same substrate, which break up by the combined effect of thermocapillarity and attractive intermolecular forces. In this case, an ultra-thin foot that recedes towards a macroscopic contact line is formed. Finally, the effect of the ultra-thin film in the relaxation dynamics of the films upon removing the driving thermal field is also studied. In the case of silicone oil, we show how the shape of the ultra-thin film affects the recovery of the initial homogeneous configuration. In the case of alkane films, the contact line remains fixed once the thermal field is removed.
La description hydrodynamique des liquides à très petites échelles nécessite de considérer des effets spécifiques à ces échelles, tels que les forces intermoléculaires. Nous nous sommes intéressés à ces effets en étudiant le comportement de films liquides sur des substrats solides, d'épaisseurs de quelques dizaines de microns, qui sont manipulés par des gradients thermiques. Les écoulements Marangoni résultant des gradients thermiques permettent un démouillage contrôlé des films liquides. En utilisant deux techniques optiques différentes, nous avons mesuré les profils de hauteur de ces films en fonction du temps, pour des épaisseurs couvrant 3 décades et avec une résolution de quelques nanomètres. La dynamique expérimentale d’amincissement des films est discutée à l'aide d'une résolution numérique de l'équation de films minces. On montre que l'effet thermocapillaire produit un régime local qui est caractérisé uniquement par l'interaction du gradient de la tension de surface et de la pression de disjonction. L'évolution maîtresse qui en résulte permet de caractériser complètement le gradient du champ thermique. La déviation par rapport à cette courbe maîtresse résulte de l'effet des forces intermoléculaires, et la dérivée d'une pression de disjonction a pu être obtenue à partir de données expérimentales pour des épaisseurs allant de 10 à 100nm. Dans le cas de liquides mouillants (huiles silicone sur un substrat en verre), la pression de disjonction suit une loi de puissance avec l'épaisseur qui ne peut pas être décrite par le modèle de van der Waals communément supposé. Par ailleurs, nous fournissons des résultats sur des films instables de deux alcanes sur le même substrat, qui se rompent par l'effet combiné de la thermocapillarité et des forces intermoléculaires attractives. Dans ce cas, il se forme un pied ultra-mince qui recule vers une ligne de contact macroscopique. Enfin, l'effet du film ultra-mince sur la dynamique de relaxation des films lors de la suppression du champ thermique moteur est également étudié. Dans le cas de l'huile de silicone, on montre comment la forme du film ultra-mince affecte la récupération de la configuration homogène initiale. Dans le cas des films d'alcane, la ligne de contact reste fixe une fois que le champ thermique est supprimé.
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Dates and versions

tel-03462926 , version 1 (02-12-2021)

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  • HAL Id : tel-03462926 , version 1

Cite

Martin Maza Cuello. Flows at molecular scales : probing and manipulating ultra-thin liquid films. Physics [physics]. Université Paris sciences et lettres, 2021. English. ⟨NNT : 2021UPSLS064⟩. ⟨tel-03462926⟩
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