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RÉSUMÉ
En combinant les avancées en matière d'étude des surfaces, de tribologie, de mouillabilité aux protocoles de rhéologie, une nouvelle méthode d'étude des fluides a été élaborée, présentée dans cet article. La relaxation dynamique sonde la dynamique à l'échelle macroscopique, en imposant par contact avec le substrat, une contrainte de cisaillement de fréquence variable. Cette optimisation des contacts met en évidence l'existence d'une composante élastique (solide) macroscopique, loin de toute transition. Cette élasticité macroscopique provient des interactions intermoléculaires qui sont habituellement négligées dans les approches classiques. Ce nouveau protocole de mesure montre qu'en optimisant l'interaction entre le fluide et la surface, la réponse dynamique du fluide peut être de plusieurs décades plus élevée et que le module de cisaillement ne s'annule pas à basses fréquences. Cette observation illustre le haut degré d'interconnectivité entre molécules. L'existence de cette cohésion élastique à longue portée permet d'expliquer l'apparition d'instabilités d'écoulement, de relaxations lentes, de transitions induites sous écoulement.
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Due to combined advances in terms of surface studies, tribology and wettability for rheology protocols, a new method of study of fluids has been developed and is presented in this article. The dynamic relaxation probes the dynamics at the macroscopic scale, by imposing through contact with the substrate a shear stress of variable frequency. This optimization of contact demonstrates the existence of a macroscopic elastic (solid) component, far from any transition. This macroscopic elasticity is induced by intermolecular interactions which are generally not taken into account in traditional approaches. This new measurement protocol proves that, by optimizing the interaction between the fluid and the surface, the dynamic response of the fluid may be higher of several tens and that the shear modulus still occurs at low frequencies. This observation illustrates the high degree of interconnectivity between molecules. The existence of this long-range elastic cohesion explains the appearance of flow instabilities, slow relaxations and flow-induced transitions.
Auteur(s)
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Patrick BARONI
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Hakima MENDIL-JAKANI
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Laurence NOIREZ
INTRODUCTION
L'étude systématique des propriétés dynamiques des fluides, enrichie par l'émergence de nouvelles disciplines telles que la micro-rhéologie et la tribologie, montre l'impossibilité de décrire le fluide comme un ensemble homogène de l'échelle macroscopique à l'échelle moléculaire. Revisiter certains protocoles de mesure utilisés en rhéologie, dans l'espoir de les améliorer, en exploitant les avancées récentes faites en tribologie, en adhésion et en mouillage est l'objet de cet article.
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2. Optimisation de la mesure en relaxation dynamique
Avant toute mesure, il est nécessaire de définir quelle information est attendue de la mesure. On fera la distinction entre connaître les propriétés dynamiques d'un matériau en rapport avec sa formulation et caractériser un produit en l'état. S'il s'agit simplement de connaître les fréquences caractéristiques du produit dans sa globalité (produit en l'état) sans établir de rapport avec sa microstructure, on ne tiendra compte que de la nature de l'interface substrat/produit pour la mesure qui se fera dans des conditions aussi proches que possible de l'utilisation du matériau. Sinon, dans la majorité des situations où l'analyse des propriétés rhéologique est fondée sur la composition chimique, il conviendra de réaliser un examen préalable de la structure du matériau pour pouvoir justifier une analyse du comportement rhéologique représentative de grandeurs physiques du matériau et en particulier en termes de dynamique à l'échelle moléculaire.
2.1 Examen préalable : importance de l'observation microscopique
La transparence optique et/ou la fluidité d'un matériau sont insuffisantes pour conclure à l'homogénéité d'un produit. L'observation microscopique peut être très utile pour identifier des hétérogénéités incluses dans le fluide. Ces hétérogénéités qu'elles soient chimiques, physiques ou de symétrie, sont à l'origine d'artefacts pour la mesure dynamique . On observera que la plupart des liquides, même simples (liquides dits newtoniens), contiennent des microbulles, des cavités, éventuellement des microgouttes de solvant invisibles à l'œil nu. Ces insertions contribuent significativement à la réponse rhéologique en amortissant la sollicitation mécanique qui devrait être intégralement transmise au matériau (dispersion du signal, impossibilité d'avoir une réponse linéaire, réponse variable dans le temps). Il est donc impératif d'observer au préalable l'échantillon et de procéder éventuellement à une homogénéisation...
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Optimisation de la mesure en relaxation dynamique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LAUGA (E.) - Microfluidics : The No-Slip Boudary Condition, Handbook of Experimental Fluid Dynamics. - Chap. 19, C. Tropea, A. Yarin, J.F. Foss Eds., Springer, NY (2007).
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(2) - YOUNG (T.) - * - Philos. Trans. R. Soc. London, 95, p. 65, (1805).
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(4) - BARRAT (J.-L.), BOCQUET (L.) - Influence of wetting properties on hydrodynamics boundary conditions at a fluid/solid interfaces. - Faraday Discussion, 112, p. 119-127 (2001).
-
(5) - BARRAT (J.-L.), BOCQUET (L.) - Large slip effect at a nonwetting fluid-solid interface. - Phys. Rev. Lett., 82(23), p. 4671-4674 (1999).
-
(6) - SCHMATKO (T.), HERVET (H.), LÉGER (L.) - Friction and slip at simple fluid-solid interfaces : the roles of the molecular...
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