J. Daillant, P. Guenoun, S. Mora, A. Checco, D. Luzet, K. Mecke, M. Alba, A. Braslau and B. Struth*
DSM/DRECAM – CEA Saclay, Max-Planck Institut für Metallforschung, ** ESRF Grenoble
Depuis plus d’un siècle, des grands noms de la physique comme Gibbs, Van der Waals
et Langmuir se sont questionnés sur le comportement d’un fluide lorsqu’on le considère à des
échelles de plus en plus petites. Ces questions concernaient par exemple la forme et le
comportement de la surface d’un liquide étendu ou en gouttes de petite taille.
On ne sait vraiment « voir » un solide à l’échelle nanométrique que depuis les années
1980 grâce aux microscopes à champ proche (microscope à effet tunnel (STM) ou à force
atomique (AFM)). Pour les liquides, ce type d’observation restait plus délicat car leur surface
réagit à l’approche de la sonde. Une autre difficulté est de ne pas pouvoir faire ces
observations sous ultra-vide, ce qui pose le problème de l’influence des impuretés. Une équipe
de la Direction des Sciences de la Matière du CEA à Saclay, en collaboration avec l’institut
Max Planck de Stuttgart et l’ESRF vient d’apporter des réponses décisives à ces questions
d’actualité avec le développement de la nanofluidique et de diverses applications comme les
puces fluidiques réalisant des analyses miniatures, et les surfaces nanostructurées.
La première question vise à connaître à l’échelle moléculaire la surface d’un liquide.
Les chercheurs se sont servis du rayonnement synchrotron de l’ESRF pour sonder les
fluctuations thermiques de ces surfaces. On observe en particulier la formation spontanée de
vaguelettes (d’une hauteur de quelques dixièmes de nanomètres) excitées par le mouvement
interne désordonné des molécules du fluide ou les collisions des atomes du gaz environnant.
L’analyse de ces fluctuations a donné des informations précieuses sur les forces qui dominent
montrant des phénomènes nouveaux. Par exemple, à l’échelle d’une dizaine de nanomètres
(quelques dizaines de molécules) les forces d’attractions entre molécules deviennent
importantes et l’amplitude des vagues à cette échelle devient importante. A plus courte
longueur d’onde (échelle de quelques molécules), l’amplitude des vagues diminue car la
rigidité de l’interface, liée à la répulsion à courte portée entre molécules, s’oppose à la
courbure de l’interface. Ces mesures qui ont été effectuées sur une grande variété de liquides
ont été simulées correctement en prenant en compte ces forces intermoléculaires.
Image AFM d’une goutte liquide de décane sur un substrat de silicium sur lequel a été greffée une couche organique de silane (OTS).
La deuxième problématique concerne l’étude des forces qui agissent sur la forme d’une
goutte lorsque celle-ci atteint des dimensions nanométriques. Cette question restait en effet en suspens : en compilant les résultats aussi bien expérimentaux que théoriques on trouvait pour la tension de ligne, une des forces régissant la forme d’une « nanogoutte », un écart de un à dix
millions ! Un microscope à force atomique (AFM) a été utilisé avec succès pour analyser dans des conditions bien contrôlées la forme de gouttes de diamètre de quelques centaines de molécules (~100 nm) à quelques microns. Le résultat montre que les inévitables inhomogénéités du substrat dominent toujours le comportement des gouttes, même pour des substrats réputés »parfaits ». En effet, un atome de nature différente ou un déplacement sur le substrat se traduit pour la nanogoutte comme un point « adhérant » ou « répulsif ». Compte tenu de la faible taille de la goutte, ceci peut modifier son rayon ou même en changer complètement la forme lorsque les hétérogénéités deviennent importantes.
Références :
Ces résultats font l’objet de deux publications dans la revue Physical Review Letters :
- X-Ray Synchrotron study of liquid-vapor interfaces at short length scales: effect of long-range forces and bending energies
S. Mora, J. Daillant, K. Mecke, D. Luzet, A. Braslau, M. Alba, B. Strut
Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 216101 - Nonlinear dependence of the contact angle of nanodroplets on contact line curvature
A. Checco, P. Guenoun, J. Daillant, Phys. Rev. Lett. 91 (2003) 186101
Contact CEA : Jean Daillant, DRECAM/SCM/LIONS, CEA-Saclay.