Mécanisme de formation des lignes

Nous étudions l’origine des lignes afin de vérifier que l’évolution de leur taille représente bien la dynamique d’étalement du liquide sur la surface. Nous avons en particulier cherché à savoir si du liquide est laissé sur la surface après le passage de la pointe et également vérifier que nous ne faisons pas que déplacer une goutte de liquide non alimentée.

5.3.3.1 Création d’un film mince

Nous avons étudié les caractéristiques du film liquide laissé sur la surface en reproduisant le dispositif de dépôt à l’échelle macroscopique et en déposant des nanoparticules de polystyrène. Pour observer le déroulement des dépôts, nous reproduisons le dispositif de dépôt de lignes à l’échelle macroscopique. Ce système comprend une micropipette reliée à un micro-injecteur et montée sur un goniomètre. Le substrat est déplacé à vitesse contrôlée (par une platine Microcontrôle) lorsque le ménisque est créé entre lui et la pipette (dont l’extrémité supérieure est laissée à la pression atmosphérique). Ce montage permet d’observer latéralement le déroulement du dépôt (Figure 5.14) et confirme la création d’un film liquide laissé à l’arrière du ménisque. Ainsi, après le passage de la pointe, il ne reste qu’un film mince de liquide sur la surface (Figure 5.14). Le liquide ne s’étale donc sur la surface que sous la pointe dans la zone du ménisque. Ceci est donc en accord avec notre conversion vitesse/temps. Nous pouvons également suivre l’évolution du dépôt de dessus. Ainsi, nous avons observé que lors d’un dépôt de glycérol pur, le film créé se déstabilise et que la ligne se brise en gouttes. Ce n’est pas le cas avec les molécules qui ont une forte affinité avec la surface et donnent un angle de reculée très faible.

Figure 5.14 – Forme du ménisque lors du dépôt avec le dispositif macroscopique. Images de microscopie optique du profil du ménisque (gauche) et d’une vue de dessus (droite).

La comparaison entre les expériences macroscopiques et NADIS reste qualitative. En effet, avec le capillaire les conditions imposées au ménisque sont très différentes. La pression dans le ménisque n’est pas bien connue : la gravité non négligeable et l’écoulement de Poiseuille dans le capillaire relativement long peuvent jouer un rôle prépondérant.

Les lignes observées sont donc dues à l’apparition d’un film mince n’évoluant plus après le passage de la pointe. La création de ce film implique que les vitesses utilisées sont supérieures à la vitesse limite vm. Dans nos conditions (vitesse de dépôt de NADIS entre 0,1 et 580 µm/s) cela signifie que

vm ≤ 0,1 µm.s-1 (cf paragraphe 5.1.3). Si nous utilisons la théorie de de Gennes [206] (qui paraît la

plus proche des expériences pour ce phénomène), nous déduisons que

1 3 . 1 , 0 ) / ln( 3 9 L l r ms (5-25)

où θr est l’angle de reculée. Ainsi, nous trouvons θr ≤ 0,06 rad = 3,6°. Comme expliqué

précédemment, les molécules de ruthénium peuvent avoir un rôle important dans cet angle de reculée très faible.

Pour obtenir plus d’informations sur le film laissé par la goutte nous avons déposé avec NADIS des lignes de nanoparticules de polystyrène de 25 nm diluées dans du glycérol. Les images AFM des lignes créées montrent que les nanoparticules ne sont pas réparties de manière homogène mais plutôt sous forme de 2 lignes (Figure 5.15).

Figure 5.15 – Images AFM de lignes de nanoparticules de polystyrène de 25 nm déposées avec une pointe NADIS de 400 nm de diamètre. Les vitesses utilisées sont, de la gauche vers la droite : 0,5 µm/s ; 70µm/s ; 1µm/s ;

120 µm/s ; 2 µm/s ; 153 µm/s ; 1 µm/s et 190µm/s.

De plus, sur les images AFM de phase, on observe une trace (traits bleus) plus large que les dépôts observés en topographie (traits blancs) (Figure 5.16). Ceci indique que le dépôt de liquide était plus large que la zone sur laquelle on observe les nanoparticules.

5.3 Dépôt de lignes

Figure 5.16 – Images AFM de topographie (gauche) et de phase (droite) de lignes de nanoparticules déposées avec une pointe NADIS ayant un canal de 400 nm. Les vitesses utilisées sont : 0,5 et 1 µm/s (de gauche à droite).

L’origine de cet effet peut s’interpréter en considérant que les nanoparticules (de 25 nm de diamètre) ne peuvent pas aller jusqu’à la ligne de contact du liquide (à cause de la géométrie du coin) contrairement aux complexes de ruthénium (Figure 5.17). Nous avons reporté Figure 5.17, les tailles des lignes de nanoparticules et de ruthénium déposées avec la même pointe. On observe un décalage Δw constant entre les largeurs à l’équilibre observées avec les complexes de ruthénium et les nanoparticules. Ce décalage permet d’estimer l’angle de contact dans le film.

Figure 5.17 – Schéma des paramètres permettant de calculer l’angle de contact (gauche). A droite, courbes représentant la largeur des lignes obtenues avec des complexes de ruthénium et les nanoparticules de polystyrène

de 25 nm.

Si nous considérons une interface droite, l’angle de contact est donné par :

1 , 3 055 , 0 2 arctan rad w d (5-26)

On obtient donc un angle de contact très faible confirmant la présence d’un film mince laissé par la goutte.

5.3.3.2 Alimentation du ménisque

Pour confirmer que le ménisque présent entre la pointe et la surface est alimenté en liquide, nous créons une ligne en déplaçant avec une pointe AFM standard une goutte de liquide (non alimentée) déposée sur une surface. Pour cela, des gouttes micrométriques de solution de complexes de ruthénium sont déposées sur une surface avec une pointe NADIS montée sur le montage 2 pointes. Nous y introduisons ensuite l’apex d’une pointe OMCL-RC standard (non percée) et nous déplaçons le substrat avec la table de nanopositionnement pour créer une ligne. Dans ces conditions, la ligne créée résulte du déplacement d’une goutte dont le volume est constant. Nous comparons ces résultats aux lignes écrites avec une pointe NADIS pour voir si leurs formes sont identiques. Une image AFM d’une ligne produite avec cette méthode est présentée Figure 5.18. On peut voir que la largeur et l’épaisseur de cette ligne ne restent pas constantes et que la trace s’estompe rapidement. Les lignes créées par NADIS sont au contraire très régulières et bien définies. Durant le dépôt de lignes avec NADIS, le ménisque reliant la pointe et la surface est donc alimenté en liquide à travers le canal.

Figure 5.18 – image AFM d’une goutte non alimentée déplacée par une pointe AFM.

Ces différentes expériences permettent donc de conclure que les lignes sont dues à 2 phénomènes distincts : l’étalement de la goutte liquide sous la pointe et la formation d’un film mince. L’évolution de la largeur est due au fait que le ménisque a plus ou moins le temps de s’étaler sur la surface. Cette largeur n’évolue plus après le passage de la pointe car le ménisque ne laisse qu’un film mince dont la largeur reflète la taille de la goutte (Figure 5.19). Il est toutefois important de noter que dans le cas de NADIS la différence entre le ménisque et le film est moins évidente que dans le cas macroscopique (Figure 5.14). La différence de hauteur entre le ménisque et le film est probablement beaucoup moins importante.