Interaction phononique entre solide et liquide à l’interface hydrophile

Manuscrit de la thèse

Résumé :

La mécanique des fluides, fondée sur l’hypothèse du continuum, a décrit avec succès les écoulements macroscopiques.

Des concepts tels que la tension de surface et la loi de Young permettent de distinguer le caractère hydrophile ou hydrophobe de l’interaction d’un liquide avec une surface. Cette interaction est d’une importance capitale lors de la réalisation de mesures rhéologiques.Le comportement des fluides est généralement modélisé en termes de réponses visqueuses et élastiques à une sollicitation mécanique. Le modèle rhéologique dominant est celui de Maxwell qui définit un temps de relaxation viscoélastique. Frenkel a proposé une explication physique moléculaire du temps de relaxation pour les liquides simples. Ce modèle prédit un comportement élastique en cisaillement pour tout liquide sollicité à très hautes fréquences.

Cependant, au cours des dernières décennies, différents résultats expérimentaux ont mis en évidence que ce n’est plus vrai lorsque les liquides sont confinés ; un comportement élastique en cisaillement émerge à basses fréquences, de l’échelle nanométrique à l’échelle mésoscopique, démontrant ainsi la capacité des liquides à propager une onde élastique en cisaillement.

Pour accéder à cette réponse élastique, une condition nécessaire est que l’interaction solide-liquide soit fortement mouillante, optimisant ainsi le transfert du mouvement de la surface au fluide. Les résultats sur l’élasticité de cisaillement dans les liquides ont conduit à de nouveaux cadres théoriques (par exemple, le modèle k-gap). Cependant, le rôle du solide a été largement ignoré. Puisque les liquides peuvent propager des états vibrationnels à longue portée lorsqu’ils sont contact avec des surfaces à haute énergie, cette thèse examine si ces états vibrationnels à longue portée interagissent avec les phonons du solide et se propagent loin de la surface.

En utilisant la diffusion inélastique des rayons X et des neutrons, nous révélons l’existence d’une interaction phononique entre l’eau et l’α-Al₂O₃ (cristal fortement mouillant). Les phonons acoustiques du solide massif (à des centaines de microns de l’interface) sont perturbés par le liquide en écoulement à la surface. Un élargissement des phonons acoustiques et, de manière plus surprenante, un durcissement des phonons acoustiques transversaux et longitudinaux du solide ont été identifiés. Le durcissement et l’élargissement sont tous deux dépendants de l’isotope, l’eau lourde présentant un effet moindre. En utilisant la diffraction à haute énergie et la diffusion Raman des rayons X, aucun changement structurel ou électrochimique n’a été observé, ce qui suggère que nos résultats ont pour origine une interaction essentiellement dynamique anharmonique entre un liquide et un solide. Cette interaction est dépendante de la zone de Brillouin observée. Ainsi, l’interface solide-liquide ne peut pas être traitée comme une simple interaction surfacique.

Le couplage mécanique qui s’étend profondément dans le matériau massif, résultant d’un état hors-équilibre induit par un écoulement liquide, appelle à de nouveaux cadres théoriques, intégrant les nouvelles propriétés des liquides telles que l’élasticité de cisaillement mésoscopique.

Mots-clés : Écoulement, Mouillage, Hydrophile, Interface liquide-solide, Phonon.

Manuscript of the thesis

Abstract:

Fluid mechanics, based on the continuum hypothesis, accurately encapsulated macroscopic flows.


Concepts such as surface tension and Young’s law allow us to distinguish between the hydrophilic or hydrophobic character of the solid-liquid interaction with a given surface. This interaction is key for rheological measurements.
General fluid behaviour is modeled through the viscous and elastic responses to a mechanical solicitation. The dominant rheological model is that of Maxwell. It identifies a relaxation viscoelastic timescale. Frenkel later proposed a molecular physical explanation for simple liquids. This model predicts shear elastic liquid behaviour at very high frequencies. 

Nonetheless, in the last few decades, experimental results have highlighted that this model breaks down when liquids are confined. A shear elastic behaviour is then observed at low-frequency, from the nanoscale to the mesoscopic scale, proving the ability of the liquid to transmit a shear elastic wave.

To observe this shear elastic behaviour, a necessary condition is that the solid-liquid interaction is highly wetting, therefore optimising the mechanical transfer from the surface to the liquid. These results on liquid shear-elasticity have led to new theoretical frameworks (e.g. k-gap model). Nonetheless, the role of the solid has been until now overlooked. Since liquids can propagate vibrational states over long ranges when in contact with high energy surfaces, this thesis studies whether these vibrational states interact with the solid’s bulk phonons, and propagate far from the surface.

Using X-ray and neutron diffraction techniques, we highlight a phononic interaction between water and α-Al₂O₃ (highly wetting monocrystal). The bulk acoustic phonons (hundreds of microns from the interface), are perturbed by the flowing liquid. A broadening of acoustic phonons, and curiously, a hardening of transverse and longitudinal acoustic phonons are observed. Hardening and broadening are isotope dependent, with heavy water showing a lesser interaction. Furthermore, using Raman-X and high resolution diffraction techniques, no chemical or structural changes were observed, suggesting our results correspond to a purely vibrational anharmonic dynamic interaction between a liquid and a solid. This interaction depends on observed Brillouin zones, and cannot be considered as a surface interaction only.

The mechanical coupling that extends deep into the bulk results from a non-equilibrium state induced by a flowing liquid, calling for new theoretical frameworks to describe this coupled phononic state, integrating new liquid properties such as mesoscopic shear elasticity.

Keywords: Flow, Wetting, Hydrophilic, Solid-liquid interaction, Phonon.