Rhéologie de l'interface air/eau par fluctuations capillaires thermiques // rheology of air/water interface using thermal capillary fluctuations

Topic description

La rhéologie des interfaces entre fluides décorées par des espèces tensioactives telles des sur-factants, des protéines ou des particules a beaucoup d'importance car elle contrôle la stabilité des mousses et des émulsions, et elle a de nombreuses applications telles que la récupération de pétrole, les systèmes microélectromécanique ainsi que dans le biomédical. La rhéologie in-terfaciale traite de la réponse des interfaces face aux déformations, elle a fait l'objet d'un inté-rêt de recherche au cours des dernières décennies. Une large gamme de dispositifs et de mé-thodes ont été développées pour mesurer les propriétés rhéologiques de l'interface, telles que les dispositifs de Langmuir, rhéomètres et gouttes ou bulles oscillantes. Malgré le développe-ment de ces différents, nous sommes toujours confrontés à des défis spécifiques pour quanti-fier les propriétés interfaciales ; certaines de ces techniques se limitent à des mesures statiques et les propriétés rhéologiques ne sont sondées qu'aux basses fréquences (quelques dizaines de Hz). Le microscope à force atomique dynamique (AFM) est un outil puissant pour étudier la structure et la rhéologie des liquides confinés, et son mode dynamique permet de séparer les forces visqueuses et élastiques [1]. Récemment, nous avons utilisé un microscope à force ato-mique pour sonder l'oscillation capillaire thermique d'une bulle hémisphérique déposée sur une surface en polystyrène [2-4]. Dans cette méthode, la vibration thermique nanométrique de la bulle entraîne le mouvement du levier. Nous avons montré que le spectre des oscillations thermiques de la surface de la bulle présente plusieurs pics de résonance correspondant aux différents modes d'oscillations de forme. Dans cette thèse, nous avons l'intention de sonder la rhéologie de l'interface air/eau formée par des bulles d'air immergées dans une solution conte-nant des tensioactifs (exemple : dodécyl sulfate de sodium, SDS). Le mouvement de l'inter-face de la bulle sera sondé à l'aide d'un levier AFM qui mesure l'amplitude de la vibration en fonction de la fréquence. Les fréquences d'amortissement et de résonance des fluctuations thermiques seront utilisées pour mesurer la tension superficielle et l'élasticité superficielle de la surface de la bulle. Au cours de la thèse, nous déterminerons la résolution de la méthode et la plage de paramètres où elle fonctionne efficacement, et comparerons avec les techniques exis-tantes. La solubilité des molécules de tensioactifs pourrait être un paramètre important distin-guant les molécules amphiphiles, les molécules de savon des phospholipides ou des alcools stéroïdiens, et elle sera étudiée en détail. La charge électrique superficielle de l'interface air/eau qui crée des barrières électrostatiques et contrôle l'adsorption sera étudiée en détail. Nous ferons varier la concentration en sel (exemple NaCl) dans les solutions, pour comprendre le rôle de l'écrantage électrostatique sur la dynamique d'adsorption des tensioactifs.
references:
[1] A. Maali, R. Boisgard, H. Chraibi, Z. Zhang, H. Kellay, A. Würger, “Viscoelastic drag forces and crossover from no-slip to slip boundary conditions for flow near air-water interfaces” Phys. Rev. Lett. ,
[2] Z. Zhang, Y. Wang, Y. Amarouchene, R. Boisgard, H. Kellay, A. Würger, A. Maali 'Near-field probe of thermal capillary fluctuations of a hemispherical bubble' Phys. Rev. Lett.,, .
[3] H Zhang, Z Zhang, C Grauby-Heywang, H Kellay, A Maali,'Air/Water Interface Rheology Probed by Ther-mal Capillary Waves', Langmuir, 39, ,.
[4] H. Zhang,B. Gorin, H. Kellay, A. Maali,'Viscoelastic rheology of polymer solution probed by resonant ther-mal capillary fluctuation',Phys. Fluids 35, .
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Interfacial rheology of fluids interfaces decorated by surface-active species such as surfactants, proteins, or particles has many importance since it controls foams and emulsion stability, and it has many applications such as for oil recovery, microelectromechanical system as well as biomedical. Interfacial rheology deals with the response of interfaces against deformations, it has been the subject of research interest during the last decades. A range of devices and methods have been developed to measure the rheological interface properties, such as Langmuir troughs, various rheometers and oscillating drop or bubble. Despite the development of these differ-ent, we still face specific challenges to quantifying the interfacial properties; some of this techniques are limited to static measurements and rheological properties are only probed at low frequencies (a few tens of Hz).
The dynamic atomic force microscope (AFM) is a powerful tool to investigate structure and rheology of con-fined liquids, and its dynamic mode allows to separate viscous and elastic forces [1]. Recently we have used an atomic force microscope to probe the thermal capillary oscillation of a hemispherical bubble or drop deposited on polystyrene surface [2-4]. In this method, the nano-metric thermal vibration of the bubble drives the motion of the cantilever. We have shown that the spectrum of the thermal oscillations of the bubble surface presents several resonance peaks corresponding to the different mode of shape oscillations .

In this project, we intend to probe the rheology of the air/water interface formed by an air bubble immersed in a solution containing ionic surfactants (examples: sodium dodecyl sulfate SDS and cetrimonium bromide CTAB). The movement of the bubble interface will be probed using an AFM cantilever which measures the amplitude of the vibration as a function of frequency. The damping and resonance frequencies of thermal fluctuations will be used to measure the surface tension and surface elasticity of the bubble surface. During the project, we will determine the resolution of the method and the range of parameters for which it works effectively, and compare with existing techniques. The solubility of surfactant molecules could be an important parameter distinguishing amphiphilic molecules, soap molecules from phospholipids or steroidal alcohols, and it will be studied in detail. The surface charge of the air/water interface which creates electrostatic barriers and controls adsorption will be studied in detail. We will vary the salt concentration (example NaCl) in the solutions, to understand the role of electrostatic screening on the adsorption dynamics of surfactants.
references:
[1] A. Maali, R. Boisgard, H. Chraibi, Z. Zhang, H. Kellay, A. Würger, “Viscoelastic drag forces and crossover from no-slip to slip boundary conditions for flow near air-water interfaces” Phys. Rev. Lett. ,
[2] Z. Zhang, Y. Wang, Y. Amarouchene, R. Boisgard, H. Kellay, A. Würger, A. Maali 'Near-field probe of thermal capillary fluctuations of a hemispherical bubble' Phys. Rev. Lett.,, .
[3] H Zhang, Z Zhang, C Grauby-Heywang, H Kellay, A Maali,'Air/Water Interface Rheology Probed by Ther-mal Capillary Waves', Langmuir, 39, ,.
[4] H. Zhang,B. Gorin, H. Kellay, A. Maali,'Viscoelastic rheology of polymer solution probed by resonant ther-mal capillary fluctuation',Phys. Fluids 35, .
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Début de la thèse : 01/09/
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Appel à Projets - China Scholarship Council (CSC)