Glissement partiel

Un modèle développé par E. Raphaël et P.G. de Gennes [179] sur la dynamique du mouillage d’un défaut isolé prédit deux cas différents : celui où la ligne de contact avance avec une vitesse constante, et celui où elle avance avec une force constante. Dans le cas d’une vitesse fixée le modèle prévoit que la dissipation est proportionnelle à l’amplitude au carré (soit une pente de 2), et dans le cas d’une force fixée la dissipation est proportionnelle à l’amplitude à la puissance 2/3. Les conditions expérimentales sont une vitesse imposée, mais pas constante car le pointe oscille. La vitesse moyenne est donc constante, mais pas la vitesse instantanée de la ligne de contact sur le défaut. Notre expérience (exposant 2,5) se rapproche donc du cas vitesse fixée où l’exposant de la loi de puissance devrait être égal à 2. La différence pourrait s’expliquer par le fait que la vitesse n’est pas constante pendant l’oscillation. La géométrie cylindrique 3D, non prise en compte dans le modèle théorique, pourrait également jouer un rôle. Des études plus systématiques sur une série de liquides et différentes pointes sont nécessaires pour analyser en détail ces lois de puissance.

La zone intermédiaire (entre les défauts 2 et 3) peut également être étudiée afin de mesurer la dissipation de la ligne de contact sur une surface sans défaut. Les points expérimentaux sont portés sur la Figure VI-11 en orange et la pente mesurée est similaire à celle des défauts. Une étude plus quantitative implique de prendre en compte la dissipation dans la couche visqueuse autour du cylindre étudiée au chapitre IV, ce qui nécessite une étude plus complète.

VI.2 Hystérésis de la ligne de contact

L’étude de l’énergie dissipée par plusieurs défauts en parallèle est très intéressante car elle permet de tendre vers le cas de surface réelle macroscopiques où une infinité de défauts sont parcourus par la ligne de contact en chaque instant.

VI.2.1 Glissement partiel

La première expérience présentée ici a été effectuée avec une pointe NaugaNeedles se terminant par un cylindre 60 nanomètre de diamètre. Ce cylindre est plus large et moins propre que les nanotubes utilisés précédemment, une multitude de défauts seront donc rencontrés par la ligne de

contact au long de l’immersion. Les courbes de déflexion sont tracées sur la Figure VI-12 pour 6 amplitudes d’excitations différentes (1, 14, 21, 42, 70, et 91 nm).

Figure VI-12 Courbes de forces obtenues pendant l'immersion et le retrait d’une pointe NaugeNeedles dans le liquide ionique IL22, réalisées pour 6 amplitudes différentes.

Au long de l’immersion les défauts rencontrés ancrent la ligne de contact et produisent les pics observés. Le grand nombre de défaut fait que la ligne de contact passe d’un défaut à l’autre sans retrouver sa position d’équilibre. Certains groupements de défauts sont visibles à l’aller et au retour. On obtient alors un cycle d’hystérésis identique à celui observé macroscopiquement avec une balance de Wilhelmy. Contrairement au cas des nanotubes on peut ici définir des angles d’avancée et de reculée. Quand l’amplitude augmente de 1 à 42 nm aucun changement particulier n’est observé. Au-delà de 42 nm l’hystérésis entre l’angle de contact d’avancée et de reculée commence à se réduire.

L’amplitude A = 42 nm correspondrait à la taille moyenne des petits défauts en surface dont on commence à parcourir le cycle (cf. section précédente). Quand l’amplitude augmente la ligne de contact est de moins en moins ancrée aux défauts et l’angle de contact tend vers sa valeur à l’équilibre sur une surface propre. Dans le cas extrême où l’amplitude d’excitation serait supérieure à la taille du cycle d’hystérésis de tous les défauts, la déflexion enregistrée serait identique à l’aller et au retour.

La taille d’un défaut peut-être estimée à partir de la force mesurée , de la tension de surface du liquide , de l’angle de contact , et de la pente maximale du défaut [180] :

(E6.4)

Le défaut est considéré comme très fort la valeur de sa pente est prise maximale ( ), dans notre cas la taille caractéristique calculée des défauts est de . Cette valeur est cohérente avec l’observation de l’effet de l’amplitude sur les courbes de forces.

Le décalage en fréquence est également mesuré et reporté sur la Figure VI-13 pour 6 amplitudes différentes (1, 14, 21, 42, 70, et 91 nm).

Figure VI-13 Décalage en fréquence obtenue pendant l'immersion et le retrait d’une pointe NaugaNeedles dans le liquide ionique IL22. Les différentes courbes ont été réalisées pour 6 amplitudes différentes.

Lorsque l’amplitude augmente le décalage en fréquence reste d’abord stable puis il commence à décroitre quand l’amplitude d’oscillation atteint 42 nm. Le décalage en fréquence étant directement relié à la raideur du ménisque (cf. chapitre III et V) cette diminution est interprétée de la même manière que précédemment : quand la ligne de contact commence à glisser sur le tube et parcourir les cycles d’hystérésis, elle s’accroche moins bien à la surface du cylindre. La raideur ressentie par la pointe va donc diminuer progressivement, la raideur étant nulle lorsque la ligne glisse.

L’énergie dissipée est mesurée dans le même temps et tracée sur la Figure VI-14 pour 6 amplitudes d’excitation différentes (1, 14, 21, 42, 70, et 91 nm). Les données sont représentées par le coefficient de friction pour comparer les différents cas en s’affranchissant des effets d’amplitude. En effet si l’on trace l’énergie dissipée celle-ci varie en A² et les effets à faible amplitude ne sont pas visibles.

Figure VI-14 Coefficient de friction mesurée pendant l'immersion et le retrait d’une pointe NaugeNeedles dans le liquide ionique IL22. Les différentes courbes ont été réalisées pour 6 amplitudes différentes.

L’effet de l’augmentation de l’amplitude d’excitation est le même que précédemment, à partir de A = 42 nm une dissipation supplémentaire se rajoute à celle engendrée par la couche visqueuse et la courbe n’est plus lisse. Cet effet peut être rapproché de celui observé sur la Figure VI-7 dans le cas de défauts isolés. Lorsque la ligne de contact commence à parcourir les défauts dont la taille des cycles d’hystérésis est inférieure à 2A de l’énergie y est dissipée. Plus l’amplitude augmente plus la ligne de contact parcourt de défauts et plus la dissipation augmente.

Il sera intéressant ici aussi de réaliser des études systématiques pour quantifier l’énergie dissipée lors du déplacement de la ligne de contact sur la surface, et de la corréler à la taille et densité des défauts qui peut être estimée à partir de la courbe de force.