Manipulations

n A ) Aller Retour Après traitement -4 -2 0 2 4 6 -50 150 350 550 distance (nm) F o rc e n o rm a li s é e ( m N /m ) Aller Retour

Figure 3-6 : Courbes d’approche – retrait par AFM avant et après traitement des données.

3.2.2. Manipulations

3.2.2.1. Collage d’une particule sur un levier AFM

Le collage des particules est réalisé avec les particules modèles de saphir et d’alumine. Le diamètre de ces particules est d’environ 20 µm. Les leviers sont de géométrie triangulaire (Figure 3-7). Selon plusieurs articles [Ducker, 1992], [Veeramansuni, 1996], [Anderssen, 2002], la colle époxy type Araldite® convient bien au collage d’une particule sur le levier AFM. Cette colle (composée d’une résine et d’un durcisseur, a une prise rapide, 10 min) est suffisamment visqueuse pour un emploi aisé, devient très dure après séchage et résiste à l’eau.

levier avec une fine pointe (fibre optique), enfin, à l’aide du micromanipulateur, le levier est approché d’une particule choisie et la particule est collée.

Figure 3-7 : Exemple de collage d’une particule d’alumine sur un levier AFM.

Pour les expériences, un seul levier avec une particule d’alumine et un seul levier avec une particule de saphir ont été utilisés. La particule de saphir a un diamètre de 16 µm et celle d’alumine de 22 µm.

3.2.2.2. Imagerie des substrats

Il a été possible d’imager les surfaces en mode imagerie au contact, malgré l’importance de la rugosité des surfaces de céramique et surtout l’aluminium anodisé. Les leviers utilisés sont surmontés de pointes fines de nitrure de silicium (leviers NP-020 de la société Veeco, Dourdan, France). Il apparaît directement que les substrats de céramique et d’aluminium anodisé sont très rugueux et très hétérogènes (cf. chapitre 2).

3.2.2.3. Les sondes et les substrats

Les expériences se sont portées sur le contact particule modèle d’alumine sur les trois substrats que sont le saphir, la céramique et l’aluminium anodisé. Cinq systèmes sont testés pour présenter trois types de résultats :

- Le système modèle de particule de saphir et substrat de saphir est sensé correspondre au système le plus lisse et donc il peut être directement comparé aux calculs de l’application numérique de la théorie DLVO réalisé au chapitre 2.

- Les systèmes saphir-céramique et alumine-aluminium anodisé représentent nos systèmes réels (chapitre 2).

- Enfin les systèmes avec la particule d’alumine devraient permettre d’observer l’influence de la rugosité du substrat sur l’adhésion.

Figure 3-8 : Représentation schématique des différents systèmes sonde- substrat étudiés et leur symbolique.

Les échantillons sont des substrats d’environ 15x15 mm. Ils sont nettoyés par la société 40-30 par frottement avec un tampon abrasif avec de l’eau désionisée, rincés abondamment, séchés en étuve et emballés individuellement dans un film plastique. De par l’extrême fragilité des sondes, les particules sur les leviers ne subissent aucun traitement de nettoyage après collage.

3.2.2.4. Les solutions

Les substrats sont d’abord plongés dans de l’eau désionisée, sans aucun autre ajout. La caractéristique de l’eau désionisée est une résistivité électrique de 18,2 M .cm. Par ailleurs, cette eau est très propre puisqu’elle ne contient que des quantités infimes de métaux (<100 ppt), d’ions (concentration en sodium et chlorure <50 ppt) et de particules (<500 /L de diamètre >0,1 µm). Cette eau ultra pure se carbonate rapidement avec le CO2 de l’air, le pH de l’eau désionisée est donc difficile à obtenir puisqu’il varie en fonction du temps. La valeur qui est généralement utilisé est 6,2. Pour cela, la force ionique est donnée à la valeur de 5.10-7 mol.L-1. Par la suite, cette eau est nommée "pH 6".

Les solutions de différents pH utilisées sont des mélanges d’eau ultra pure avec de l’acide chlorhydrique (37%) pour les solutions d’acides de pH = 2 et pH = 4 et de l’hydroxyde de sodium en pastille (ou soude) pour les solutions basiques de pH = 8 et pH = 10. Aucun autre sel n’a été ajouté. La force ionique des mélanges est donc déterminée par le pH. La solution de pH 8 étant difficile à maintenir stable, il a fallu ajuster avec la solution de soude pour obtenir une solution à pH 8. La force ionique n’est donc pas de 10^-6 mol.L^-1 mais de 10^-4 mol.L^-1.

Le Tableau 3-2 donne les différents noms attribués aux solutions et leur force ionique correspondante. Saphir (S) Céramique (C) Al anodisé (A) Saphir (S) Alumine (A) substrat particule SS SC AS AC AA

Solution pH Mélange Force ionique associée pH2 2 ± 0,5 Eau+HCl 2.10^-2 mol.L^-1 pH4 4 ± 0,5 Eau+HCl 2.10^-4 mol.L^-1 pH6 6 ± 0,5 Eau 5.10^-6 mol.L^-1 pH8 8 ± 0,5 Eau+NaOH 1.10^-4 mol.L^-1 pH10 10 ± 0,5 Eau+NaOH 2.10^-4 mol.L^-1

Tableau 3-2 : Description des différentes solutions pH utilisées pour l’étude.

L’ajout d’acide et de base dans l’eau rajoute des particules en suspension dans le mélange. En effet, les spécifications sur ces produits ont des valeurs plus hautes que pour l’eau. Nous avons mesuré que plus il y a d’acide ou de base, plus il y a de particules dans les solutions (Figure 3-9). Il faut noter que pour les solutions différentes de pH 6, la concentration en particules est plus importante que dans l’eau ce qui peut introduire un biais dans les mesures d’adhésion.

0.0E+00 4.0E+04 8.0E+04 1.2E+05 1.6E+05 2 4 6 8 10 pH n o m b re p a rt ic u le s /m L ^{nbre part / mL > 0,1 µm} nbre part / mL > 0,2 µm

Figure 3-9 : Exemple du nombre de particules contenues dans différentes solutions pH (le pH = 5,3 correspond à de l’eau ultra pure).

3.2.2.5. Déformation de la particule

Ce paragraphe est destiné à vérifier que seuls les paramètres particule-substrat dans des solutions de différents pH, que nous allons faire varier interviennent dans la mesure de la force. En effet, lorsque le levier équipé de la particule est au contact du substrat, deux effets peuvent être néfastes :

- La charge avec laquelle la pointe est appuyée - La vitesse avec laquelle le levier atteint le substrat.

La Figure 3-10 présente la force d’adhésion (Fadh) mesurée en fonction de la force maximale (Fmax) appliquée sur le levier (point "d" de la Figure 3-5). Le système particule d’alumine et substrat de céramique à la solution de pH 6 a été utilisé pour ce test : c’est un système avec de la rugosité et à ce pH, la force a des valeurs significatives.

Figure 3-10 : Influence de la charge maximale imposée (Fmax) à la particule sur la force d’adhésion (Fadh). Système alumine-céramique à pH 6.

Sur cette figure, on observe un nuage de points. Ces points sont regroupés dans une bande, il semble donc qu’une légère corrélation est possible entre la force d’adhésion (Fadh) et la force maximale (Fmax). Ceci étant, la majeure partie des charges maximales observées dans l’étude est comprise entre 80 et 120 nN, là où la dispersion est la plus grande. Ainsi, de part cette dispersion, nous supposons que la force maximale n’a pas d’influence sur nos résultats de mesure de force d’interaction.