Caractérisation par mesure d’angle de contact

La technique de mesure d’angle de contact permet de caractériser des énergies de surface en lien avec caractéristiques physico-chimiques de celle-ci par l’évaluation de la mouillabilité de ces surfaces [Bhattacharya et al. 2005]. La mouillabilité est la capacité d’un liquide à maintenir un contact avec une surface solide [de Gennes 1985]. Le degré de mouillabilité est déterminé par l’équilibre entre les forces adhésives et les forces cohésives dans le liquide. Ainsi, une modification des propriétés de surfaces suite à une fonctionnalisation changera la mouillabilité observée.

2.4.1 Théorie.

Au point de contact de la goutte, on trouve une jonction de trois phases : solide, liquide et gazeuse. Ce système est représenté à la figure 2.11. Ces trois phases sont représentées par α, β et ϴ auxquelles ont peut associer un angle. Dans tous les cas, la somme des trois angles doit donner 2π (360°). L’amplitude de chaque angle est liée à la nature de la phase elle- même ainsi que celle des phases qui la borde. La caractéristique principale des interfaces représentées ici est la tension de surface (γ). Il s’agit de l’énergie nécessaire pour créer une unité d’air à une interface donnée. [Atkins 1994]

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76 Angle

de contact Degré de mouillage Interactions Force

Sol./Liq Interactions Liq./Liq.

Ɵ = 0° Mouillage complet Fortes Faibles

0° < Ɵ < 90° Haut mouillage Fortes Fortes

Faibles Faibles

90° ≤ Ɵ ≤ 180° Faible mouillage Faibles Fortes

Ɵ = 180 Non-mouillage Faibles Fortes

Tableau 2.1 : Tableau des caractéristiques des interactions dans le système « surface-goutte » en fonction de l’angle de contact.

On voit donc que plus la force d’interaction entre le liquide et la surface augmente, comparativement aux forces cohésives dans le liquide, plus le mouillage augmente. Dans ces conditions, il devient énergiquement favorable de former une interface solide/liquide. En termes de tension de surface, on trouve donc que lorsque l’angle de contact se situe entre 0 et 90°, la tension de surface à l’interface solide/liquide est plus faible que la tension de surface à l’interface solide/gaz.

γsl < γsg (2.9)

La mouillabilité est donc caractéristique de la surface. La possibilité de former des ponts hydrogènes, des interactions ioniques ou de Van der Waals favorisera le mouillage. La nature des groupements chimiques exposés en surface influencera donc l’angle de contact. Il est possible d’observer des variations de mouillage pour des substrats de nature similaire si des différences sont présentes au niveau de l’arrangement atomique. Par exemple, des polymères branchés auront un arrangement moins compact que ceux ayant des chaînes linéaires. Selon le cas, l’angle de contact sera différent.

2.4.2 Description du système.

Il existe plusieurs méthodes pour caractériser la mouillabilité d’une surface. L’une des plus simples est la méthode de la goutte sessile. La méthode consiste à observer une goutte d’un liquide d’énergie surfacique connue sur un substrat et de mesurer l’angle de contact à l’aide d’un goniomètre.

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Le système utilisé pour mesurer l’angle de contact sur les diverses surfaces a été conçu dans notre laboratoire. Le montage, montré à la figure 2.13 est composé d’une caméra numérique (Mighty scope, Aven tools) couplée à un système de rétro éclairage à D.E.L.. L’échantillon est placé sur un système de micromanipulateur (Thorlabs, USA) permettant de déplacer l’échantillon afin de centrer la goutte dans le champ de vision de la caméra, mais aussi de la placer au foyer. Le dépôt de la goutte, d’un volume de 2 µl, se fait manuellement via un système mécanique qui contrôle une microseringue. Ceci assure la reproductibilité du volume déposé. L’ensemble est contenu dans une boîte fermée afin de minimiser les mouvements d’air ainsi que l’évaporation.

Figure 2.13 : Montage d’angle de contact

Pour prendre une mesure, une goutte est déposée sur la surface puis une photo est prise perpendiculairement à la surface de façon à voir le profil de la goutte. L’image est traitée dans un programme d’analyse d’image afin d’extraire les angles de contact. La figure 2.14 illustre un exemple de photographie de goutte ainsi que l’analyse.

Le programme utilisé pour extraire les valeurs d’angle est Dropsnake Analysis Software [Stalder et al. 2006]. Afin d’obtenir la valeur d’angle, il suffit de placer un certain nombre de points sur le pourtour de la goutte symbolisés par des points bleus sur l’image. À cette

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étape, le programme nous donne une valeur approximative d’angle. L’analyse est ensuite lancée et le programme fait une modélisation par B-spline snake method du contour de la goutte, symbolisé par des points rouges (figure 2.14), et donne les valeurs d’angle calculé à partir du contour modelé. Les valeurs d’angle pour les côtés gauche et droit de la goutte sont ainsi obtenues.

Figure 2.14 : Analyse d’image permettant la mesure de l’angle de contact en utilisant le programme Dropsnake Analysis.