Comportement d'un Colloïde à Proximité d'une Interface Air-Eau: Interactions et Dynamique

par Stefano Villa

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Maurizio Nobili.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de I2S - Information, Structures, Systèmes , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) .


  • Résumé

    Malgré un rôle important en physique, biologie et dans les processus industriels tels l'agroalimentaire et la dépollution de l'eau, la dynamique d'une particule colloïdale à proximité d'une interface fluide et ses interactions avec l'interface sont des phénomènes physiques encore débattus. Dans cette thèse, nous explorons la dynamique et l'interaction de particules colloïdales individuelles à proximité d'une interface air-eau à l'équilibre thermique. Afin de mener cette étude sans perturber le système expérimental, nous avons conçu et construit un microscope interférentiel à double onde adapté à l'interface air-eau. Contrairement à d'autres techniques expérimentales, notre configuration permet la mesure précise de la distance absolue entre particule l'interface sans nécessiter d'étalonnage ou d'hypothèse sur l'emplacement de l'interface. Nous avons ainsi pu obtenir des trajectoires hautement résolues de particules en 3D proches de l'interface, permettant la mesure précise des diffusions proche de l'interface et des interactions particules-interface. Le système montre deux profils d'énergie potentielle différents. Deux distances d'équilibre particule-interface sont ainsi observées. La plus grande peut être expliquée par la compétition des interactions de Van der Waals et électrostatiques avec la pesanteur. La distance d'équilibre plus courte ne peut s'expliquer que par la présence d'une interaction attractive supplémentaire. Les origines possibles de cette interaction sont discutées. En utilisant une nouvelle méthode d'analyse des déplacements quadratiques moyens des particules dans un potentiel générique, nous avons pu accéder aux coefficients de friction visqueuse des particules en fonction de la distance à l'interface. De manière singulière, l'interface air-eau se comporte comme une paroi liquide pour le mouvement des particules parallèlement à l'interface et comme une paroi solide pour le mouvement des particules perpendiculaire à l'interface. Ce résultat expérimental peut être partiellement rationalisé en considérant des modèles récents basés sur l'incompressibilité de surface. Cependant, certaines différences entre les expériences et les théories demeurent. Les coefficients de friction visqueuse sont plus importants que les prédictions hydrodynamiques et dépendent de la charge électrique des particules, ce qui suggère un possible rôle des phénomènes électrocinétiques. Enfin, le piégeage des particules à l'interface air-eau et leur angle de contact ont été mesurés tout en modifiant la force ionique de la solution aqueuse et en faisant varier l‘état de surface des colloïdes.

  • Titre traduit

    Behaviour of a Colloid close to an Air-Water Interface: Interactions and Dynamics


  • Résumé

    Despite the relevance to environmental, biological and industrial processes, the motion of a colloidal particle close to a fluid interface and the way it interacts with the water surface are still largely elusive and intriguing physical phenomena. In this thesis, we explore the motion dynamics and the interaction of individual colloidal particles close to an air-water interface in thermal equilibrium. In order to investigate them without perturbing or altering the experimental system, we designed and built a dual-wave reflection interference microscope working with an air-water interface geometry. Contrary to other established experimental techniques, our set-up allows accurate measurements of the absolute particle-interface distance and thus does not require any calibration or assumption to know the location of the interface. Highly resolved 3D particle trajectories close to the interface were obtained, from which information on particle diffusion close to the interface and particle-interface interactions are obtained. The system shows two different potential energy landscapes resulting in two different equilibrium particle-interface distances. The larger one can be fairly explained by Van der Waals and electrostatic interactions combined with gravity. The shorter one highlights the existence of an unexpected additional attractive interaction. The possible origins of such an interaction are discussed. Using a method of analysis of the particle mean square displacements in a generic potential we developed, we were able to access to particle drag coefficients as a function of the distance from the interface. Peculiarly, the air-water interface acts as a slip boundary for the particle motion parallel to the interface and as a no-slip boundary for the particle motion perpendicular to the interface. This experimental result can be partially rationalized considering recent models based on surface incompressibility. However, some discrepancies between experiments and theories remain. Experimental drag coefficients are larger than the hydrodynamic predictions and depend on the particle electrical charge, pointing therefore to a possible role of electrokinetic phenomena. Finally, the particle trapping at the air-water interface and its contact angle were observed while tuning the ionic strength of the aqueous solution and varying the surface state of the colloids.