Manuscrit de la thèse.
Résumé :
Une étude de la structure d’interfaces liquide-vapeur est présentée dans cette thèse. Les surfaces étudiées sont étroitement liées, afin de pouvoir déterminer l’influence des différents types d’interactions moléculaires, et de cerner les mécanismes responsables des propriétés physiques de ces surfaces. La diffusion diffuse de rayons x a permis de mesurer, pour différents liquides, le spectre des fluctuations de hauteur d’une surface nue. Ces mesures ne concordent plus avec le modèle des ondes capillaires pour des vecteurs d’onde supérieurs à 108 m-1 : la notion de tension de surface n’est plus valable à ces échelles et doit être remplacée par une énergie de surface effective. Il est montré que cette dernière décroît lorsque la longueur d’onde associée à la fluctuation est de l’ordre de quelques dizaines de distances moléculaires. Elle augmente pour les plus petites longueurs d’onde envisageables. L’accord remarquable avec la théorie proposée par K. Mecke et S. Dietrich. Ces mesures ont été étendues au cas d’interfaces décorées par un film moléculaire : l’énergie de surface effective est alors correctement décrite par une rigidité de courbure seule, qui est mesurée pour des films dans différentes phases. En particulier, l’effet de la renormalisation de la rigidité de courbure par l’élasticité lorsque le film s’apparente à un réseau bidimensionnel connecté a été mis en évidence. En complément de mesures de fluctuations de surfaces de solutions ioniques, nous avons montré que l’excès de concentration en ions au voisinage de la surface peut être mesuré par des expériences de fluorescence de rayons x et d’ellipsométrie. Cette mesure est essentielle pour comprendre les origines de la variation de la tension de surface, et plus généralement pour expliquer la spécificité des ions de la série de Hofmeister.
Résumé en anglais :
The structure of liquid-vapour interfaces is investigated in this thesis. Different kinds of surfaces have been examined in order to determine the influence of each component of molecular interactions on the physical properties of these surfaces. The height-height fluctuation spectrum of different bare liquid-vapour surfaces has been determined by x ray diffuse scattering. These measurements show that the capillary-wave model fails at small length scales (wave-vector > 108 m-1). The problem of the small scale structure can be addressed by considering corrections to the surface energy through an effective momentum-dependent surface energy. We show that the momentum-dependent surface energy first decreases from its macroscopic value and then increases with increasing wave vector. The agreement with a theory proposed by K. Mecke and S. Dietrich is excellent. We then turned to fatty acid films at the water-air interface: a bending energy is sufficient to describe the whole momentum-dependent surface energy. It has been measured for films in various phases. The particular case of a polymerized monolayer has been in particular investigated, and a coupling between height fluctuations and in-plane phonons have been evidenced. Surfaces of ionic solutions have also been investigated: height fluctuations spectrum has been measured. In addition, x ray grazing incidence fluorescence and ellipsometry experiment have been performed in order to measure the adsorption of ions. Knowing this excess is essential to understand the origins of surface tension’s variation when salts are added, and to explain ion specificity and the Hofmeister effect.
SPEC, CEA/Saclay, Université Paris Sud – Paris XI