Mouillage sur gels mous

par Menghua Zhao

Thèse de doctorat en Physico-chimie

Sous la direction de François Lequeux et de Laurent Limat.

Soutenue le 12-09-2017

à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Laboratoire Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (UMR 7615). Physico-chimie des Polymères et Milieux Dispersés (laboratoire) , Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (établissement opérateur d'inscription) et de Sciences et Ingénierie de la Matière Molle / SIMM (laboratoire) .

Le président du jury était Arnaud Antkowiak.

Le jury était composé de François Lequeux, Yapu Zhao, Tetsuharu Narita, Matthieu Roché, Hans-Jürgen Butt.

Les rapporteurs étaient Elisabeth Charlaix, Pascal Damman.


  • Résumé

    Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la statique et la dynamique du mouillage de gouttes d’eau sur des substrats mous tels que des gels, encore connu sous le nom d’élastomouillage. Pour ce faire, nous avons d'abord développé une méthode quantitative de visualisation par strioscopie permettant de mesurer la déformation de la surface d'un film de gel transparent avec une précision élevée. Nous montrons que la déformation superficielle de films mous de silicone (PDMS) dépend de la taille des gouttelettes déposées ainsi que de l'épaisseur et de l’élasticité de ces films. Nous avons construit un modèle basé sur la théorie de l'élasticité linéaire tenant compte de la tension superficielle des gels qui prédit bien la forme et l’amplitude de la déformation de surface. Nous apportons aussi la preuve expérimentale et l'analyse théorique de l’importance de l'hystérèse de l’angle de contact dans la description de la déformation en démontrant que la force tangentielle due à la tension superficielle entre liquide et vapeur à la ligne de contact, souvent négligé, contrôle la déformation de la surface. La dynamique de mouillage est étudiée en dégonflant des gouttelettes sur des films de PDMS avec une épaisseur bien contrôlée. Il est démontré que la dissipation d'énergie dans le gel dépend fortement de l'épaisseur lorsque cette dernière est inférieure à 100 μm). L'effet de freinage viscoélastique et l'effet d'épaisseur sont bien rationalisés avec un modèle basé sur la viscoélasticité linéaire et une simple loi l'échelle qui tient compte de l'effet d'épaisseur capture très bien nos expériences. Enfin, nous démontrons que nous pouvons dériver et guider les gouttelettes en mouvement avec la conception de surfaces couvertes de couches de gels ayant des gradients d'épaisseur.

  • Titre traduit

    Wetting on soft gels


  • Résumé

    In this thesis, we aim at obtaining a better understanding of the statics and dynamics of the wetting of liquids on soft gels, otherwise known as elastowetting. First, we develop a quantitative Schlieren optics to measure the surface deformation of a transparent gel film with a high precision over large areas in real time. The long-range surface deformation of soft PDMS films is found to be dependent on the sessile droplet size, and the thickness and elasticity of the soft films. We build a model based on linear elasticity theory with the integration of the surface tension of soft materials that predicts the long-range surface deformation in excellent agreement with the data. We also bring the experimental proof and theoretical analysis of the importance of contact angle hysteresis in the description of the deformation of the surface of the gel. We demonstrate that the tangential component of the liquid-vapor surface tension at the contact line, whose contribution are often neglected, significantly affects the surface deformation. Wetting dynamics is investigated by deflating droplets on PDMS films with well-controlled thickness. It is shown that energy dissipation in the soft gel depends on the thickness when the latter is smaller than 100 μm. The viscoelastic braking effect and the thickness effect are both well rationalized with a model based on the theory of linear viscoelasticity and a simple scaling law accounting for the thickness effect captures very well our experiments. Finally, we demonstrate that we are able to guide moving droplets with coatings having a gradient of their thickness.


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