G´ en´ eration de films libres

a partir de la monocouche entraˆıne une solubilisation (partielle) des tensioactifs dans la sous-phase, probablement sous forme de micelles.

5.2.2 G´en´eration de films libres

L’int´erˆet principal du dispositif de g´en´eration pr´esent´e dans le paragraphe 5.1.1 consiste `a pouvoir contrˆoler la pression de surface de la monocouche pendant la cr´ ea-tion du film. Nous cherchons en particulier `a la garder constante et ´egale `a une valeur de consigne π<sub>c</sub>, de sorte que chaque nouvelle portion de film g´en´er´ee le soit dans les mˆemes conditions que les pr´ec´edentes, ce qui correspond `a une condition aux limites Γ = cte pour la concentration de surface au niveau du bain.

Dans le logiciel commercial pilotant le dispositif, seuls deux param`etres gouvernant la boucle de r´etroaction sur la pression de surface nous sont accessibles : les vitesses maximales de compression u+ et de dilatation u−. Nous commen¸cons donc par tester la qualit´e de la r´etroaction pour diff´erentes valeurs de u<sub>+</sub>, tandis que u−est prise ´egale `

a z´ero. Les r´esultats obtenus sont montr´es sur la figure 5.7, o`u la pression de surface est repr´esent´ee en fonction du temps pendant la cr´eation de films libres de DPPC (et au-del`a). Toutes les courbes de la figure 5.7 correspondent `a des films g´en´er´es `a une vitesse U = 2 mm/s et les ´etoiles blanches indiquent pour chaque film l’instant de rupture approximatif.

Pour les vitesses u₊ 6 17 mm/min, la compression des barri`eres n’est pas suffisante pour compenser la dilatation de la surface li´ee `a la cr´eation du film et le film ´eclate avant mˆeme que la pression de surface cible – qui vaut ici π_c = 40 mN/m, mat´erialis´ee par la ligne en pointill´es – n’ait pu ˆetre rejointe. Pour u₊ > 17 mm/min, la compression des barri`eres est suffisante pour que π<sub>c</sub> soit atteinte avant la rupture du film, mais la pression de surface oscille significativement autour de sa consigne, avec une amplitude pouvant aller jusqu’`a ±2 mN/m. D’autres tests, avec des vitesses de g´en´eration du film plus faibles ou des valeurs non nulles pour u−, n’ont pas permis d’obtenir des oscilla-tions de pression de surface inf´erieures `a ±1 mN/m pendant le tirage du film.

Remarquons que pour les vitesses de compression les plus grandes (u₊ = 45 mm/min et 60 mm/min), le temps de vie du film se trouve augment´e d’un facteur 2 par rapport aux vitesses u₊ < 45 mm/min. Ceci sugg`ere que l’appauvrissement en tensioactifs de la monocouche lors du tirage du film, s’il n’est pas compens´e par la compression des barri`eres, a tendance `a d´estabiliser pr´ematur´ement le film.

La figure 5.7 indique que le choix d’une grande vitesse de compression (u₊= 45 mm/min ou 60 mm/min) permet de garder la pression de surface de la monocouche `a une valeur proche de la consigne πc. Reste `a pr´esent `a d´eterminer les cons´equences des oscillations autour de la valeur cible sur le film g´en´er´e. Sur la figure 5.8 est `a nouveau repr´esent´ee la variation de pression de surface durant le tirage d’un film de DPPC `a U = 2 mm/s pour u+ = 45 mm/min (ce sont les mˆemes donn´ees que sur la figure 5.7). On a super-pos´e en bleu l’´epaisseur h du film, mesur´ee `a environ 8 mm au dessus de la surface du bain, pendant ce mˆeme tirage.

La figure 5.8 montre que l’´epaisseur du film ne diminue pas de mani`ere monotone au cours de temps, comme on pourrait l’attendre d’un film qui draine, mais oscille de ma-ni`ere synchronis´ee avec la pression de surface. Ceci montre clairement que le contrˆole de la pression de surface de la monocouche `a ±1 mN/m n’est pas suffisamment fin pour

0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 8 3 0 3 2 3 4 3 6 3 8 4 0 4 2 4 4

π

Figure 5.7 – Variation temporelle de la pression de surface π d’une monocouche de DPPC `a 20 <sup>◦</sup>C, pendant le tirage de films libres `a une vitesse U = 2 mm/s. Les diff´erentes courbes correspondent `a diff´erentes valeurs de la vitesse de compression maximale u+ autoris´ee pour la r´etroaction, tandis que la vitesse maximale de dilatation u−reste nulle. Les ´etoiles blanches indiquent l’instant de rupture du film et la ligne en pointill´es mat´erialise la pression de surface cible πc= 40 mN/m. La monocouche a ´

et´e obtenue par d´eposition d’un volume V = 70 µL d’une solution de DPPC dans du chloroforme `a une concentration c = 1.18 g/L. 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 5 . 0 5 . 2 5 . 4 5 . 6 5 . 8 6 . 0 h (µ m ) t ( s ) 3 8 3 9 4 0 4 1 4 2 4 3

π

Figure 5.8 – Variation temporelle de l’´epaisseur h (en bleu) pendant la g´en´eration d’un film libre `a une vitesse U = 2 mm/s, `a partir de la mˆeme monocouche de DPPC que la figure 5.7. Le point de mesure de l’´epaisseur se trouve `a 7.7 mm au dessus de la surface du bain. Sur le mˆeme graphe est repr´esent´ee la variation de pression de surface π mesur´ee pendant ce mˆeme tirage (en rouge), ainsi que sa valeur de consigne πc= 40 mN/m. Les vitesses maximales de compression et dilatation autoris´ees pour la r´etroaction sont respectivement u+= 45 mm/min et u−= 0 mm/min.

que l’on puisse consid´erer que Γ = cte au niveau du bain. Cette observation est coh´ e-rente avec la petitesse des gradients de tension de surface mis en jeu dans la g´en´eration des films, de l’ordre de quelques dixi`emes de mN/m (voir figure 4.12). Notons enfin que la variation temporelle de l’´epaisseur du film semble comporter des oscillations `

a plus haute fr´equence, peut-ˆetre dues `a des vibrations m´ecaniques dans le montage exp´erimental.

5.2.3 Conclusions et perspectives

Dans ce chapitre, nous avons introduits en d´etails un montage exp´erimental, adapt´e d’un dispositif commercial de Langmuir-Blodgett, permettant de g´en´erer et de caract´ e-riser des films libres stabilis´es par des tensioactifs insolubles. Les r´esultats pr´eliminaires pr´esent´es mettent en lumi`ere certaines limites du montage. Nous avons notamment montr´e que le passage r´ep´et´e du cadre `a travers la surface du bain alt`ere la mono-couche insoluble qui s’y trouve, si bien que le nombre de films pouvant ˆetre g´en´er´es avec une monocouche donn´ee est limit´e `a une huitaine. Nous avons ´egalement mis en ´evidence la sensibilit´e du film – `a la fois en qui concerne le temps de vie et l’´epaisseur – au contrˆole de la pression de surface de la monocouche pendant la g´en´eration, qui doit ˆetre meilleur que ±1 mN/m.

La mauvaise qualit´e de la r´etroaction sur la pression de surface vient principalement du fait que le dispositif commercial de Langmuir-Blogett est con¸cu pour la d´eposition de monocouches sur des substrats solides `a des vitesses de l’ordre du millim`etre par minute, bien plus faibles que nos vitesses de g´en´eration, de l’ordre du millim`etre par seconde. La fr´equence d’acquisition du signal de pression de surface (un point par se-conde, ne pouvant ˆetre augment´ee dans le logiciel commercial) est alors trop faible pour pouvoir obtenir une r´etroaction efficace `a de telles vitesses.

Nous avons donc entrepris, en collaboration avec le service instrumentation du labo-ratoire, de r´e-instrumenter enti`erement le dispositif exp´erimental, en ne conservant du montage commercial que la cuve et les barri`eres. En particulier la platine de translation verticale, qui ´etait limit´ee `a une vitesse maximale de g´en´eration de 2 mm/s, est chang´ee. Un algorithme PID dont nous pouvons contrˆoler les diff´erents coefficients est mis en place pour la r´etroaction sur la pression de surface. L’ensemble du nouveau dispositif – y compris le spectrom`etre – est pilot´e par un code Labview « maison » permettant une grande flexibilit´e et est, `a l’heure o`u nous ´ecrivons ces lignes, proche d’ˆetre achev´e.

Films liquides minces en r´egime

non-stationnaire

Rupture de films minces de liquide pur

en g´en´eration continue

En pratique, les mod`eles stationnaires, comme celui pr´esent´e dans le chapitre 4, d´ecrivent l’´epaisseur d’une portion de film uniquement juste apr`es sa cr´eation. En r´ ea-lit´e, l’essentiel de la vie d’un film liquide mince se fait en r´egime non-stationnaire : l’´epaisseur du film diminue avec le temps, comme on peut le voir sur les profils de la figure 3.7a, notamment en raison du drainage gravitaire. Dans cette troisi`eme et derni`ere partie, nous nous int´eressons aux aspects non-stationnaires de la vie des films libres – `a savoir leur drainage et leur rupture – avec ou sans tensioactifs.

Dans le pr´esent chapitre, nous commen¸cons par ´etudier le cas de films de liquide pur verticaux en g´en´eration continue, situation dans laquelle la contrainte tangentielle aux interfaces liquide/air est nulle. Nous construisons une mod´elisation non-stationnaire permettant de d´ecrire toute la vie de tels films, depuis leur g´en´eration `a partir d’un m´enisque statique jusqu’`a leur rupture sous l’effet des interactions attractives de van der Waals. Nous r´ealisons ensuite une ´etude exp´erimentale du temps de vie de films de liquide pur, et confrontons les r´esultats obtenus aux pr´edictions du mod`ele. Ce travail a b´en´efici´e de nombreuses discussions avec Wiebke Drenckhan et Thibaut Gaillard. Dans le chapitre 7, nous pr´esenterons des r´esultats exp´erimentaux concernant le drai-nage et la rupture de films savonneux verticaux en g´en´eration continue, dont nous proposons une interpr´etation qualitative. Nous introduirons ´egalement quelques r´ esul-tats pr´eliminaires obtenus avec un mod`ele de film non-stationnaire incluant la pr´esence de tensioactifs aux interfaces. Enfin, le chapitre 8 sera consacr´e `a une ´etude du drainage et de la rupture de bulles pos´ees `a la surface d’un bain savonneux.

6.1 Tour d’horizon de la litt´erature

Bien qu’ils soient en principe plus simples, les mod`eles non-stationnaires d´ecrivant des films libres de liquide pur (i.e. avec contrainte tangentielle nulle aux interfaces) se font plus rares dans la litt´erature que leurs homologues avec tensioactifs. On peut notamment citer les travaux de Breward & Howell [14] et de Howell & Stone [46] sur le drainage d’une lamelle liquide horizontale au voisinage d’un bord de Plateau. Nous pr´esentons dans la suite deux ´etudes plus proches du probl`eme que nous cherchons `a traiter, `a savoir la g´en´eration `a vitesse constante de films de liquide pur verticaux, et qui nous ont servi de base pour construire le mod`ele pr´esent´e dans la section 6.2.