Mécanique Interfaciale (iM)

Élisabeth CHARLAIX, Benjamin CROSS et Romain LHERMEROUT

Les électrolytes liquides contiennent des ions mobiles dans une phase fluide, et présentent par conséquent des propriétés de transport extrêmement riches. Ainsi, une différence de pression, concentration ou potentiel électrique peuvent générer de façon couplée des courants hydrodynamique, ionique et électrique. Ces phénomènes électrocinétiques sont cruciaux pour de nombreuses applications, notamment pour la récupération d'énergie osmotique.

Des modèles ont été proposés il y a plusieurs décennies (telle la théorie de Helmholtz-Smoluchowski pour l’électro-osmose en 1921) mais ils n’ont jamais été testés expérimentalement, car cela nécessite de relier les coefficients de couplages électrocinétiques aux propriétés de surface, à la fois statiques (charge de surface) et dynamiques (longueur de glissement). Nous proposons d’y parvenir avec un Appareil à Force de Surface Dynamique, instrument qui permet précisément de mesurer de façon simultanée les propriétés d’équilibre et de transport au sein d’un électrolyte, que l’on confine entre des surfaces solides aux propriétés parfaitement caractérisées.

Financements : Total, ANR EDDL, UGA EMIS

Élisabeth CHARLAIX et Benjamin CROSS

Les liquides ioniques sont des sels purs, sans solvant, qui sont liquides à température ambiante. Ils présentent des propriétés physico-chimiques de volume exceptionnelles (grande conductivité, très faible volatilité, non-inflammabilité, grande fenêtre électrochimique), qui les rendent prometteurs pour des applications dans les domaines énergétiques (batteries, super-condensateurs), mécaniques (lubrification) et environnementaux (dépollution). Toutes ces applications dépendent des propriétés des liquides ioniques aux interfaces et sous confinement et du lien entre structure et dynamique, qu’il est nécessaire de mieux comprendre.

En mesurant la réponse mécanique d’un film de liquide ionique avec un Appareil à Force de Surface Dynamique, nous avons montré qu’au voisinage d’une interface les liquides ioniques s’organisent en couches ordonnées de taille moléculaire. Nous avons caractérisé l’épaisseur et l’élasticité de ces couches, et mis en évidence que leur présence influe drastiquement sur les écoulements de liquides ioniques aux échelles pertinentes pour les applications.

Nano-mechanics of ionic liquids at dielectric and metallic interfaces
Léo Garcia, Léa Jacquot, Elisabeth Charlaix, Benjamin Cross
Faraday Discussions, 2018, 206, pp.443-457. ⟨10.1039/c7fd00149e⟩

Élisabeth CHARLAIX et Benjamin CROSS

En mesurant la nanorhéologie de solutions de polyélectrolytes avec un Appareil à Force de Surface Dynamique, nous avons montré que la notion de longueur de glissement hydrodynamique n’est pas pertinente pour les fluides viscoélastiques. Une description appropriée consiste plutôt à considérer la condition limite de glissement partiel, telle qu’originellement formulée par Navier en termes de coefficient de friction interfaciale.

Dans le cas de polyélectrolytes hydrosolubles de grande masse moléculaire, nous avons observé un fort glissement lorsque les deux surfaces de verre confinantes étaient séparées d’au moins quelques centaines de nanomètres. En augmentant le confinement, nous avons montré que ce glissement observé à grandes distances n’est en fait qu’apparent, et dû à la présence d’une couche de déplétion de quelques dizaines de nanomètres d’épaisseur à l’interface solide-solution.

Wall slip of complex fluids: Interfacial friction versus slip length
Benjamin Cross, Chloé Barraud, Cyril Picard, Liliane Léger, Frédéric Restagno, Elisabeth Charlaix
Physical Review Fluids, 2018, 3 (6). ⟨10.1103/PhysRevFluids.3.062001⟩

Lionel BUREAU, en collab. avec Gustavo LUENGO (L’Oréal)

Nous réalisons des études nanotribologiques à l'aide d'un Appareil à Force de Surface fabriqué au laboratoire qui nous permet de mesurer les propriétés de cisaillement de films nanométriques de matériaux mous. Les études actuelles se concentrent sur le comportement tribologique de films adsorbés de polyélectrolytes utilisés dans l'industrie cosmétique.

Financement : L’Oréal

Physico-chemical study of polymer mixtures formed by a polycation and a zwitterionic copolymer in aqueous solution and upon adsorption onto negatively charged surfaces
Laura Fernández-Peña, Eduardo Guzmán, Francisco Ortega, Lionel Bureau, Fabien Leonforte, Dandara Velasco, Ramón Rubio, Gustavo Luengo
Polymer, 2021, 217, pp.123442. ⟨10.1016/j.polymer.2021.123442⟩

Elsa BAYART

Comment les interfaces solides rompent-elles avant de glisser ?  Cette question est centrale en mécanique du frottement solide, mais aussi en mécanique des failles sismiques. En effet, un tremblement de terre résulte de la mise en glissement des deux faces rocheuses constituant une faille sismique. Au laboratoire, nous instrumentons des interfaces frictionnelles formées par deux solides en contact afin d’étudier les ruptures rapides se propageant le long de l’interface. Nous effectuons des mesures de déformation à haute fréquence et du suivi de particule en imagerie rapide.

Grâce à ce dispositif expérimental, nous avons pu questionner le rôle des séismes lents – des événements de glissement lent se produisant le long de certaines portions de failles – sur la fréquence d’occurrence des séismes. Nous avons montré que le glissement lent agit comme un centre de nucléation pour les événements sismiques, augmentant ainsi la fréquence des tremblements de terre. Ce travail permet de mieux comprendre comment prendre en compte la complexité des failles dans les modèles et d'améliorer la compréhension de la diversité du comportement des failles sismiques.

Experimental evidence of seismic ruptures initiated by aseismic slip
Yohann Faure, Elsa Bayart
Nature Communication, 2024, 15, 8217. ⟨10.1038/s41467-024-52492-2⟩

Elsa BAYART, en collab. avec Simon DAGOIS-BOHY et John SOUNDAR JEROME (Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, Lyon)

Les matériaux granulaires cohésifs peuvent se fracturer à grande échelle, un processus au cours duquel de nouvelles surfaces sont créées, contrairement aux matériaux granulaires secs et frictionnels. Cette observation est évidente dans le cas d'un milieu granulaire partiellement saturé de liquide, où les ponts capillaires assurent la cohésion. Plus rarement, cependant, des ruptures transitoires sont également observées dans des suspensions granulaires denses. La rupture de tels milieux peut modifier radicalement leurs propriétés de résistance mécanique ou de perméabilité, et il est essentiel de comprendre ce phénomène afin de le prendre en compte dans les modèles.

Nous étudions les mécanismes de formation de fractures lors d'impacts sur des matériaux granulaires partiellement saturés, comme le sable humide, et sur des suspensions granulaires denses. Nous réalisons des expériences lors desquelles nous effectuons des mesures d’élévation de la surface granulaire, grâce à de la profilométrie laser. Ces expériences nous permettent de comprendre les mécanismes par lesquels ces fractures se produisent.

Élisabeth CHARLAIX et Élise LORENCEAU, en collab. avec Alain CARTELLIER (Laboratoire des Écoulements Géophysiques et Industriels, Grenoble) et Philippe GARNIER (STMicroelectronics)

Dans beaucoup de domaines industriels, les procédés de nettoyage sont des étapes clés. Ces procédés doivent être à la fois performants et en accord avec un développement durable. Parmi ces procédés, la physique décrivant le nettoyage par impact d’un spray ultra-rapide sur une surface (pourtant couramment utilisée dans l’industrie et la sphère privée) est mal comprise. Grace à des mesures i) d’efficacité de nettoyage de surfaces contaminées par des nanoparticules réalisées sur des équipements industriels de pointe ii) de caractérisation de spray et iii) une modélisation des impacts des microgouttes successifs, nous montrons que c’est le cisaillement dans la trainée d’une ligne de contact en mouvement qui est responsable de cette efficacité hors norme.

Financement : STMicroelectronics