8.2 Mesures dans les pores en forme d’encrier
8.2.2 Encriers réduits en diamètre
Pression [P/Psat]
V
olume
de
liquide
[
mm
3 ]
0 10 20 30 40 50 60 70
0
0.05
0.1
Diamètre de Saam & Cole [nm]
dΦ
/
d
D
[
nm
−
1]
(a) (b)
Condensation (équilibre) Évaporation (équilibre)
Figure 8.13 – (a) : Isotherme mesurée dans la membrane293e, après 150 cycles d’ALD et après dépôt
d’ITO sur les cavités. Les pores ont une forme d’encrier réduits en diamètre. La courbe en rouge donne
la chute de transmission (normalisée à sa valeur membrane vide) à la condensation et à l’évaporation.
(b) : Distributions de diamètres déduites de l’isotherme. Les deux courbes correspondent à une analyse
avec l’équation de Saam & Cole à l’équilibre et pour de l’hexane à19◦C
— le pic (iii) à60 nm, attribué à la vidange des constrictions par le haut, a disparu ;
— le pic (ii) à50 nm, attribué à la vidange des constrictions par le bas, persiste ;
— le pic (i) à40 nm est remplacé par une distribution large entre 10 et40 nm.
Cette évolution est compatible avec :
— des cavités bien bouchées en haut par l’ITO et empêchant la vidange des constrictions par le haut
(d’où l’absence de pic à60 nm) ;
— une fraction significative de constrictions bien ouvertes se vidant par le bas (d’où le pic à50 nm),
entraînant la vidange des cavités si elles n’ont pas de défauts à la jonction ;
— une population de cavités mal ouvertes sur les constrictions, avec des méta-constrictions aux
jonc-tions dont le diamètre s’étale entre 10 à40 nm.
Ces conclusions sont cohérentes avec les résultats obtenus sur la membrane 293c non bouchée et
l’hy-pothèse que l’ITO bouche les cavités de 70 nm de diamètre. Malgré ses imperfections, cette membrane
démontre le processus d’évaporation des cavités à travers les constrictions.
8.2.2 Encriers réduits en diamètre
La figure 8.13a présente l’isotherme mesurée sur des encriers réduits en diamètre. Nous l’avons mesurée
sur la membrane 293e, précédemment utilisée pour l’isotherme 8.9a, après avoir fermé le dessus de ses
cavités par dépôt d’ITO. A priori, on s’attend à ce que le remplissage reste identique. C’est effectivement
le cas, l’isotherme 8.13a montre bien une condensation en deux étapes similaire à celle de la figure 8.9a,
avec des distributions de diamètres correspondantes (fig. 8.13b et 8.9b) quasiment identiques.
170 CHAPITRE 8. ÉTUDE DE LA CAVITATION DANS LES PORES EN FORME D’ENCRIER
Figure8.14 – Illustration de la mesure par interférométrie en lumière blanche. La membrane est éclairée
par un faisceau de lumière blanche qui se réfléchit sur les faces de la membrane et l’interface entre les
constrictions et les cavités. Le spectre de Fourier du signal réfléchi possède trois composantes
correspon-dant aux interférences entre ces trois interfaces.
Ces deux étapes sont visibles sur la transmission qui chute à deux reprises, sans remonter, pour se
stabiliser à∼20 %Tvide après le remplissage des cavités. Ce comportement montre que ni les constrictions,
ni les cavités, ne se remplissent toutes. Ce point est confirmé par la mesure du volume de liquide condensé
dans les pores, ici, d’environ 0.2 mm3 contre 0.8 mm3 avant le dépôt d’ITO (fig. 8.9a). On a donc des
cavités complètement bouchées, en bas par l’alumine déposée par ALD au niveau de la jonction avec les
constrictions, en haut par ITO.
À l’évaporation, l’isotherme indique une vidange très étalée entre90 %et33 %Psat. Pourtant, la
trans-mission ne bouge absolument pas avant∼60 %Psat. Cela suggère un artefact dans la mesure volumétrique
plutôt qu’une évaporation du liquide avant 60 %Psat. Au-dessous de cette pression, on vide par le bas
les constrictions ayant une ouverture inférieure à 10 nm. Comme pour l’isotherme 8.9a, la membrane se
vide complètement à 33 %Psatavec un retour brutal de la transmission à sa valeur à vide. Ici, le volume
impliqué d’environ∼0.2 mm3est plus important car, contrairement à la membrane sans ITO, la majorité
des cavités sont encore pleines quand on atteint les33 %Psatet se vident donc à cette pression.
Ces conclusions sont confirmées et précisées par les mesures d’interférométrie en lumière blanche
(WLI : White Light Interferometry) d’Étienne Rolley sur la même membrane. Cette méthode, inspirée
de Casanova et coll. [23, 22, 25, 24], présente l’avantage par rapport à la volumétrie de distinguer le
remplissage des constrictions et celui des cavités. Dans la suite, j’introduis succinctement le dispositif mis
en place par Étienne Rolley avant de présenter les isothermes réalisées.
Interférométrie en lumière blanche
On place la membrane dans une cellule régulée en température et on la soumet à une pression de
vapeur d’hexane. La membrane est éclairée en incidence normale par un faisceau polychromatique de
lumière blanche et on mesure avec un spectromètre le signal réfléchi par celle-ci. Ce signal possède les
contributions de la réflexion du faisceau sur les deux faces de la membrane et sur la jonction séparant
les cavités des constrictions (fig. 8.14). Le spectre d’intensité, en fonction de la longueur d’onde, présente
des minima et des maxima correspondant aux interférences destructives et constructives entre ces 3
8.2. MESURES DANS LES PORES EN FORME D’ENCRIER 171
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Pression [P/Psat]
V
olume
de
liquide
[
mm
3]
Condensation Évaporation Constrictions Cavités
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
Pression [P/Psat]
(a) (b)
Figure 8.15 – Isothermes mesurées par interférométrie en lumière blanche (WLI) dans la membrane
293f (a) dont les pores sont réduits en diamètre et ouverts des deux côtés (fig. 8.1e) et dans la membrane
293eaprès ITO (b) ayant des pores en forme d’encrier réduits en diamètre (fig. 8.1f).
interfaces. Ces extrema se déplacent lors d’une isotherme puisque l’indice optique de la membrane varie
selon le volume de liquide condensé. Par transformée de Fourier, on accède à l’épaisseur optique de liquide
condensé :
— dans les cavités (1 sur la figure 8.14) pour l’interférence entre le signal réfléchi sur la jonction et en
haut de la membrane ;
— dans les constrictions (2) pour l’interférence entre le signal réfléchi sur la jonction et en bas de la
membrane.
On en déduit le volume de liquide condensé, dans les cavités ou dans les constrictions, en multipliant
cette épaisseur optique par la surface de la membrane (1 cm2).
Étienne Rolley a étudié deux membranes avec cette méthode, la293f dont la structure est identique à
la293e(sans ITO), et la293eaprès ITO. Les résultats sont présentés sur la figure 8.15, où le remplissage
des constrictions est en rouge et celui des cavités en bleu. On retrouve bien des pressions de condensation
et d’évaporation et des volumes poreux proches de ceux mesurés sur les isothermes volumétriques
corres-pondantes (fig. 8.9a et 8.13a). L’isotherme 8.15b dans les encriers réduits en diamètre montre que l’on
condense autant de liquide dans les cavités que dans les constrictions (environ0.1 mm3). C’était aussi le
cas lors des isothermes avant ALD (fig. 8.5a et 8.12a). Or, l’ALD réduit plus fortement le volume des
constrictions que celui des cavités (car leur diamètre est initialement plus faible). On en déduit donc
qu’à la fin de la condensation, il reste plus de cavités vides que de constrictions vides. Par ailleurs, la
comparaison avec l’isotherme 8.15a montre que seulement25 %des cavités se remplissent.
172 CHAPITRE 8. ÉTUDE DE LA CAVITATION DANS LES PORES EN FORME D’ENCRIER
0.31 0.32 0.33 0.34 0.35
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.31 0.32 0.33 0.34 0.35
Pression [P/Psat]
V
olume
de
liquide
[
mm
3] 1.25
1
75 %
50 %
25 %
0 %
T
ransmission
[T/T
vide
]
Pression [P/Psat]
(a) (b)
Condensation Évaporation
Figure8.16 – Reproductibilité de l’évènement de cavitation à0.33 %Psatsur la membrane 293e, avant
le dépôt d’ITO ((a), fig. 8.9a) et après celui-ci ((b), fig. 8.13a).
que ce soit pour les cavités ou les constrictions. On confirme ainsi que la variation observée sur
l’iso-therme volumétrique 8.13a est un artefact de mesure. Au-dessous de60 %Psat, le volume de liquide dans
les constrictions baisse doucement tandis que celui dans les cavités reste stable. Cette observation est
cohérente avec la légère augmentation de la transmission sur l’isotherme 8.13a et correspond à la vidange
par le bas de constrictions de moins de 10 nm. Enfin, l’évaporation se termine brutalement à∼33 %Psat.
On assiste à la vidange simultanée des cavités et des constrictions, que ces dernières soient ouvertes ou
non sur les cavités.
Dans le document
Condensation et évaporation de l'hexane dans les membranes d'alumine poreuse
(Page 170-173)