Soutenance mémoire
Les gouttes de liquides font parties de notre environnement et elles sont souvent en contact avec les gaz et les solides. Si une goutte de liquide est déposée sur une surface solide, elle est soumise à la tension superficielle qui tend à la rassembler sur elle-même, son poids qui a tendance à l’aplatir, aux interactions entre le liquide et la surface solide. Le mouillage d’un solide par un liquide caractérise l’étalement du liquide sur ce solide.[1] Les propriétés de mouillage interviennent dans de nombreux procédés aux applications très variées. Par exemple, les insecticides sont formulés de telle sorte que leur dépôt sur les végétaux ne forme pas de gouttes mais ruissellent sur les feuilles afin que le principe actif pénètre mieux dans la plante. Par contre, les pare-brises et les verres des lunettes sont enduits d’une substance protectrice pour que l’eau ne s’y étale pas et qu’elle puisse s’écouler en laissant la surface sèche derrière elle.
La maîtrise des interactions d’une goutte liquide avec les solides et les gaz s’avère indispensable pour une bonne compréhension de son étalement sur une surface donnée. Les inhomogénéités d’une surface entrainent une modification des propriétés de mouillage. Pour un liquide donné, son degré d’étalement change en fonction de la nature mais aussi de la texture du substrat. Certaines surfaces naturelles ont leur mouillage fortement influencé par des paramètres tels que la température, la présence de tensioactif, ou l’éclairement. Les surfaces dont le mouillage dépend de l’éclairement sont appelées surfaces à mouillage photo contrôlable. Vu la diversité des applications envisageables avec de telles surfaces, de nombreuses équipes de recherches s’intéressent au mécanisme du photo contrôle de ces surfaces ainsi qu’aux techniques de leurs réalisations pratiques. Cet intérêt à déjà abouti entre autre à la réalisation de pompe optique, à la possibilité de manipuler de petites quantités de liquide sans entrer en contact avec elles… L’étude du mouillage et des transitions de mouillage a permis une amélioration des rendements d’exploitation du pétrole qui est aujourd’hui la principale source d’énergie.
Dans la suite, nous allons d’abord, nous intéresser aux interactions qui gouvernent le mouillage d’une surface, puis à l’étude de l’influence des paramètres externes (température, éclairement, tensio-actif…) sur le mouillage.
Généralités sur le mouillage
Une goutte d’eau en chute libre est parfaitement sphérique. Cependant dans la vie de tous les jours les gouttes se présentent sous plusieurs formes différentes. Quel est le paramètre responsable de cette variation de forme des gouttes ? Y’a-t-il une relation entre la forme d’une goutte et sa stabilité ?
Phénomène de tension superficielle
Fluide dans le champ de pesanteur-le point vue de l’hydrostatique
Considérons une particule de fluide de volume d𝜏. Cette particule subit de la part du fluide qui l’entoure les forces superficielles que sont les forces de pression et de viscosité. En plus de ces forces, d’autres forces d’origine extérieure agissent sur chaque particule de fluide.
Tension superficielle
Considérons une goutte de liquide sur un support plan. D’après les lois de l’hydrostatique, la surface libre du liquide devrait être une surface plane. Or, en général, le liquide adopte la forme d’une calotte sphérique .
➤ Considérons un corps flottant à la surface d’un liquide contenu dans un récipient, il se déplace spontanément vers le bord le plus proche. Ce déplacement permet la réunion des deux ménisques et de minimiser ainsi la superficie de l’interface liquideair[4].
Via un comportement semblable, on voit peu à peu tous les corps flottants se rapprocher les uns les autres et venir se coller aux bords les plus proches.
➤ Considérons des films d’eau savonneuse s’appuyant sur un contour. Les films semblent produire une surface qui a la propriété de posséder une aire minimale.
Toutes ces expériences montrent qu’il y’a une propriété du liquide qui ne concerne que l’interface entre deux fluides ou entre un fluide et un solide mais n’intervient pas au sein du fluide[4].
➤ Origine de la tension superficielle
Du point de vue microscopique, les molécules au sein du liquide sont soumises à des interactions attractives avec toutes leurs voisines. En revanche, à la surface du fluide, elles perdent en moyenne la moitié de ces interactions de cohésion et sont déstabilisées (cf. figure (I.5))[6]. Du fait de cette discontinuité, la couche superficielle d’un liquide agit comme une fine membrane élastique, qui a tendance à se rétrécir et à se tordre [1] ; les liquides ajustent leurs formes pour exposer le minimum de surface à leur environnement.
Toute surface liquide « libre » (c’est-à-dire en contact avec un gaz et libre de se déformer) est caractérisée par une tension superficielle qui s’oppose à ses déformations et tend à minimiser la surface en contact avec son environnement. La surface d’un liquide est liée à son énergie de surface. L’énergie de surface 𝐸𝐴 est proportionnelle à l’aire 𝐴 de la surface,
On écrit 𝑬𝑨 = 𝜸𝑨 ; soit 𝜸 = 𝑬𝑨 / 𝑨 (I.9)
Le coefficient de proportionnalité 𝛾 est une grandeur intensive appelée tension superficielle ; elle s’exprime en 𝐽. 𝑚−2 La tension superficielle est une grandeur positive, elle a pour origine l’anisotropie des forces d’interaction moléculaire ; elle caractérise l’interface entre deux milieux. La tension superficielle d’une interface entre deux phases (1) et (2) représente l’énergie libre nécessaire pour augmenter d’une unité l’aire de cette surface. Généralement, lorsque l’une des deux phases est une vapeur, on parle de tension superficielle alors que le terme tension inter faciale est utilisé dans les autres cas[6].
➤ Conséquence :
Augmenter la surface d’un liquide entraine une augmentation de son énergie de surface : ainsi un liquide adoptera la forme qui minimise l’énergie de surface compte tenu des contraintes ; si les seules forces sont les forces de tensions superficielles alors pour un volume donné la surface qui minimise l’énergie est la sphère.
➤ Mesure de la tension superficielle
Une méthode souvent employée pour les liquides est la méthode par arrachement. On plonge un anneau lisse dans le liquide à étudier et l’on soulève l’anneau. On soulève ainsi un film qui s’appuie sur l’anneau[3]. La force F (mesurée à l’aide d’un dynamomètre) est maximale quand le poids P de l’anneau (déterminé lorsque l’anneau est sec) et la force de rappel due à la tension superficielle 𝛾 du liquide étudié sont parallèles. F est en équilibre avec le poids de l’anneau et la force de tension superficielle et on écrit :
𝑭 = 𝑷 + 𝟐 ∗ 𝟐𝝅𝑹𝜸 (I.13)
La tension superficielle varie avec :
• la température : 𝛾 diminue quand la température 𝑇 augmente ;
• la densité : 𝛾 augmente quand la densité augmente ;
• la présence de tensio-actifs : [3].Un tensioactif est une espèce chimique qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. La tension superficielle est à l’origine des formes prises par les gouttes, elle va donc fortement influencer le comportement d’un liquide à la surface d’un substrat donc le mouillage.
Mouillage
Mouillage total, mouillage partiel
Pour définir un état de mouillage, il faut considérer un système composé de trois phases en équilibre thermodynamique. L’une de ces trois phases, notée S, sera considérée comme le substrat. Les deux autres phases en coexistence peuvent présenter un point critique, c’est-àdire une température critique Tc, au dessus de laquelle il est impossible de les distinguer. Au dessus de la température critique Tc, ces deux phases ne forment en fait qu’une seule. Pour la clarté de l’exposé, nous noterons ces phases L et V, en référence à liquide et vapeur, mais il n’en n’est pas toujours ainsi dans les situations de mouillage. Par exemple, il peut s’agir de deux liquides partiellement miscibles[18]. La seule contrainte est que l’une au moins des phases L et V soit une phase condensée[15]. Lorsqu’une goutte de liquide est déposée sur un substrat, deux comportements peuvent apparaître. Soit la goutte s’étale complètement sur le solide (figure (I.8-a)) : on dit alors qu’il y’a mouillage total, soit il existe une ligne de contact qui est la ligne à l’interface des trois phases (aussi appelée ligne triple) (figure (I.8-b)) : le mouillage est dit partiel. On définit ainsi un angle de contact afin de quantifier le degré d’étalement d’un liquide sur un substrat donné.
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Table des matières
Introduction
I-Généralités sur le mouillage
I.1-Phénomène de tension superficielle
I.1.1- Fluide dans le champ de pesanteur-le point de vue de l’hydrostatique
I.1.2-Tension superficielle
I.2-Mouillage
I.2.1-Mouillage total, mouillage partiel
I.2.2- Coefficient d’étalement à l’équilibre : un bilan des tensions de surface
I.2.3-Notions de travail de cohésion et de travail d’adhésion
I.2.4-Relation de Young-Dupré
I.2.5-Mesure de l’hystérésis
II-Surfaces homogènes-mesure de l’énergie de surface
II.1-Interactions mises en jeu
II.1.1-Les forces de Van der Waals
II.1.2-Interaction entre interfaces
II.1.3-Les interactions acide base
II.2-La théorie de Dzyaloshinskii, Lifshitz et Pitaevskii (Théorie DLP)
II.2.1-Limite du principe d’additivité des interactions de Van der Waals
II.2.2-La théorie DLP
II.3- Mesure de l’angle de contact d’une goutte sur une surface solide
II.4-Etude de quelques modèles de détermination de l’énergie de surface d’un solide
II.4.1-Le modèle de Zisman
II.4.2-Modèle d’Owens-Wendt à deux composantes
II.4.3.Méthode acide base de Oss et Good
III-Angle de contact dans le cas d’une surface hétérogène
III.1-Le modèle de Wenzel
III.2-Le modèle de Cassie-Bax
III.3-Validité des deux modèles
III.4-Hystérésis de l’angle de contact
IV-Influence des paramètres externes sur le mouillage
IV.1-Effet thermocapillaire
IV.2-Surfaces photosensibles
Conclusion
Liste des figures
Liste des tableaux
Bibliographie
