QUE FAISONS-NOUS AU LPSI?

Nous sommes spécialisés dans l’étude des interfaces et des surfaces. Les caractéristiques fonctionnelles d’un matériau sont largement déterminées par ses propriétés surfaciques ainsi que par les interactions entre ces surfaces et l’environnement. En conséquence, dans des domaines d’application, les performances d’un matériau peuvent être modifiées en introduisant de fines couches surfaciques, même d’épaisseurs moléculaires.

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Notre but au LPSI est de comprendre comment les caractéristiques interfaciales des matériaux influencent leurs propriétés et leurs performances, aussi bien statiques que dynamiques, et déterminent ainsi leurs valeurs technologiques et économiques.

Doté de tout l’arsenal de la chimie et de la physique des surfaces obtenu en combinant des expériences de la théorie et de la modélisation sur ordinateur nous sommes capables d’explorer beaucoup de voies pour contrôler le comportement complexe et les propriétés des matériaux.

ÉQUIPE 

JOËL DE CONINCK

JOËL DE CONINCK

PROFESSEUR ORDINAIRE

Physicien et Mathématicien, ses recherches se concentrent sur le mouillage des surfaces.

TERRY BLAKE

TERRY BLAKE

PROFESSEUR

Terry has published some 60 papers on subjects including static and dynamic wetting, electrowetting, surfactants, ink-jet printing and coating. He also acts as an independent industrial consultant.

DOROTHÉE FRIEDRICH

DOROTHÉE FRIEDRICH

ASSISTANTE DE DIRECTION

Gestion administrative et financière du laboratoire.

ARNAUD PETIT

ARNAUD PETIT

ASSISTANT PÉDAGOGIQUE DOCTORANT

Master en Sciences Physiques finalité approfondie spécialisé dans l'amélioration d'un biosenseur basé sur la spectroscopie infrarouge.

JUAN CARLOS FERNANDEZ-TOLEDANO

JUAN CARLOS FERNANDEZ-TOLEDANO

DOCTEUR

Docteur en Physique spécialisé dans l'étude de simulations des propriétés de mouillage dans les micro-canaux.

EMMANUËL GOSSELIN

EMMANUËL GOSSELIN

DOCTEUR EN SCIENCE

Master Matériaux spécialisation dans les technologies des polymères dont les recherches portent sur le développement de nouveaux biosenseurs ultrasensibles.

CAROLINE FAGNIART

CAROLINE FAGNIART

LICENCE EN BIOLOGIE

Licenciée en Biologie spécialisée dans la caractérisation de surfaces et l'étude de la condensation.

STÉPHANE WAEYENBERGH

STÉPHANE WAEYENBERGH

INGÉNIEUR INDUSTRIEL EN CHIMIE

Ingénieur industriel en chimie.

MOHAMED AMIN ALI

MOHAMED AMIN ALI

DOCTORANT

Master en Physique option Micro- et Nanotechnologies spécialisé dans les surfaces superhydrophobes et la dynamique de mouillage.

YICHUAN ZHANG

YICHUAN ZHANG

ÉTUDIANT EN THÈSE

Étudiant en thèse.

JOSÉPHINE CONTI

JOSÉPHINE CONTI

TECHNICIENNE DE LABORATOIRE

Graduée en Biochimie option Biotechnologie spécialisée dans la caractérisation de surfaces.

BENJAMIN DELATTRE

BENJAMIN DELATTRE

DOCTEUR EN SCIENCES - COLLABORATEUR VOLONTAIRE

Master en Sciences Physiques finalité approfondie en Sciences des Matériaux spécialisé dans le développement de céramiques poreuses par Freeze-casting.

CATHERINE LEMONIER

CATHERINE LEMONIER

COLLABORATRICE VOLONTAIRE

Collaboratrice.

EDUARDO SAIZ

EDUARDO SAIZ

PROFESSEUR VISITEUR

Céramique.

ANTONI TOMSIA

ANTONI TOMSIA

PROFESSEUR VISITEUR

Freeze casting.

MARCO MARENGO

MARCO MARENGO

PROFESSEUR VISITEUR

Thermique et échange de chaleur.

PAOLO DI MARCO

PAOLO DI MARCO

PROFESSEUR À L'UNIVERSITÉ DE PISE

Professeur à l'Université de Pise

FRANÇOIS DUNLOP

FRANÇOIS DUNLOP

PROFESSEUR VISITEUR

Physique théorique.

THIERRY HUILLET

THIERRY HUILLET

PROFESSEUR VISITEUR

Physique théorique.

LAURENT LIMAT

LAURENT LIMAT

PROFESSEUR À L'UNIVERSITÉ DE PARIS

Professeur à l'Université de Paris.

WILFRID BOIREAU

WILFRID BOIREAU

PROFESSEUR VISITEUR

FEMTO

ULRIKE G.K. WEGST

ULRIKE G.K. WEGST

PROFESSEUR VISITEUR

University of Göttingen

ÉQUIPEMENT

Échelle nanométrique (nm)

L’ELLIPSOMÉTRIE

L’ellipsométrie spectroscopique est un ensemble de  techniques optiques non destructives permettant :

> la mesure de l’indice de réfraction complexe d’un matériau (indice réel et coefficient d’extinction)

> la mesure de l’épaisseur d’un matériau déposé en couche mince

> la détermination de la rugosité, de la porosité totale et de la distribution de la taille des pores à l’échelle nano- ou mésoscopique

L’ellipsométrie est une technique optique d’analyse de surface fondée sur la mesure du changement de l’état de polarisation de la lumière après réflexion sur une surface plane.

UV-Vis-NIR-MIR

C’est la technique de base en ellipsométrie spectroscopique. Les propriétés optiques peuvent être déterminées dans un domaine spectral allant de 280 nm à 16.6 µm

Porosimétrie

La porosimétrie ellipsométrique atmosphérique (EPA) utilise les variations des propriétés optiques des matériaux poreux lorsque les pores sont remplis de liquide par condensation capillaire. A partir de ces variations, il est possible, sans nécessairement posséder le matériau dans sa phase compacte, de déterminer la porosité totale, la distribution des pores ainsi que le module de Young de la couche.

L’imagerie ellipsométrique

C’est une variante de l’ellipsométrie classique où la mesure en un point est remplacée par l’acquisition d’une série d’images, deux pour chaque longueur d’onde. Ces images doivent être interprétées sur base d’un modèle optique.

LANGMUIR-BLODGETT

DÉPOSITION MOLÉCULAIRE CONTRÔLÉE : MONO- MULTI-COUCHES

En utilisant une balance de Langmuir-Blodgett, il est possible de créer de nouvelles surfaces par le dépôt de monocouches ou multicouches moléculaires.

Avec cette technique, nous pouvons orienter la composition chimique de la surface, qui peut être parfaitement homogène ou avec des hétérogenéitées chimiques contrôlées.

Nous pouvons également contrôler l’épaisseur du film déposé en choisissant le nombre exact de couches.

La stabilité du film obtenu dépend de la force des interactions physiques entre les molécules.

MICROSCOPE CONFOCAL

Le microscope confocal Sensofar Neox permet de mesurer la rugosité des échantillons de manière plus précise que le profilomètre optique en réalisant des images de très faible profondeur de champ en scannant la surface par étapes de manière à ce qu’aucun point de la surface ne soit hors focus.

La technologie du balayage confocal par micro-display, combiné avec une caméra CCD couleur permet de pallier aux phénomènes de saturation, de pentes locales importantes, d’état de surface,…

Par rapport aux mesures de profilométrie optique, il est possible de prendre des mesures de rugosité à une échelle plus grande et avec un minimum de restauration des points manquants.  Les mesures réalisées à un grossissement de 5 fois correspondent à une zone étudiée de 2.55*1.91 mm².

MICROSCOPIE À FORCE ATOMIQUE

Le LPSI possède un microscope à force atomique (AFM) Park-Instrument XE-70 permettant d’analyser avec une très haute résolution la topographie tridimensionnelle de divers échantillons (wafer, métaux, polymères, monocouches, poudres…). Notre microscope à force atomique est également équipé d’une cellule permettant de travailler en milieu liquide.

Le principe de l’AFM est de balayer la surface d’un échantillon à l’aide d’une pointe montée sur un microlevier pour en avoir une image en trois dimensions avec une résolution spatiale allant de quelques dizaines de microns au dixième de nanomètre. La troisième dimension est égale au déplacement vertical (z) d’un piézoélectrique.

La mesure s’effectue grâce à un rayon laser qui se réfléchit sur le microlevier. Si le rayon laser est dévié, c’est que le microlevier s’est infléchi, et donc qu’il y a des forces d’interactions entre la pointe et la surface.

La mesure de la déviation de la pointe passe donc par la mesure de la position du faisceau laser réfléchi à l’aide d’un quadrant de photodiodes. Quand le faisceau n’est pas dévié, il frappe au centre du quadrant, et donc illumine également les 4 photodiodes.

Si le faisceau laser est dévié vers le bas, les deux photodiodes du bas recevront plus de lumière que celles du haut et une différence de tension est mesurée. C’est cette différence de tension que l’on utilise pour la rétroaction. On obtient ainsi l’image 3D de la surface étudiée.

De plus, notre AFM peut être utilisé pour mesurer des propriétés de surface comme la viscoélasticité et la force d’adhésion (FD Spectroscopy) ou encore pour faire des études tribologiques (Lateral Force Microscopy).

MICROSCOPIE À FLUORESCENCE

La microscopie à fluorescence est une technique d’imagerie optique  basée sur le phénomène de fluorescence et de phosphorescence contrairement à l’observation classique de la microscopie par Réflexion ou absorption de la lumière.

Certaines molécules (marqueur fluorescent) ont la particularité de fluorescer et donc d’émettre de la lumière après avoir absorbé des photons de plus haute énergie.

Sa résolution est d’environ 200 nm puisque limitée par la diffraction de la lumière.

PROFILOMÉTRIE

Le LPSI possède un profilomètre optique Wyko NT1100. Cet appareil qui fonctionne sur les bases d’un microscope à interférences permet de mesurer la topographie de surfaces de manière non-destructive (sans contact avec la surface).

Le principe de cet appareillage est le suivant: de la lumière est envoyée sur un beamsplitter qui l’envoie d’une part sur la surface à analyser et d’autre part sur un miroir. Les lumières venant du miroir et revenant de la surface sont recombinées (il est donc nécessaire que la surface soit un peu réfléchissante, 4%).

Si la distance entre l’objectif et la surface est la même que celle entre le beamsplitter et le miroir une figure d’interférences apparaît. L’objectif de Mirau est constitué de ce beamsplitter et du miroir interne.

La figure d’interférences est ensuite analysée à l’aide d’une caméra CCD et d’un logiciel très puissant. L’appareillage permet des déplacements très précis de l’objectif. En faisant un balayage vertical de cet objectif, on récupère pour chaque hauteur de l’objectif une figure d’interférences aux endroits où la surface est à la « bonne » hauteur.

L’analyse précise de ces figures d’interférences permet une reconstitution de la topographie de la surface. Ainsi une précision de l’ordre de quelques Angströms est possible en vertical mais la précision en horizontal est de l’ordre de la longueur d’onde de la lumière, donc du demi-micron environ.

MODÉLISATION MOLÉCULAIRE

Différentes techniques complémentaires sont utilisées pour simuler les propriétés des matériaux à plusieurs échelles.

 

ALGORITHME GÉNÉTIQUE

Les algorithmes évolutionnaires sont des méthodes stochastiques de recherche de solutions basées sur les principes de l’évolution naturelle selon Darwin.

Ces algorithmes mathématiques transforment un ensemble de solutions potentielles (appelé « population ») associées à une valeur de « fitness » (critère de validité) en un nouveau jeu de solutions (nouvelle « génération ») par des opérations similaires aux opérations de génétique naturelle de Darwin: on parle de « sélection », de « mutation » et de « croisement ». Chaque élément est considéré comme un « individu ». Les « individus » initiateurs sont les « parents » et les individus générés sont les « enfants ».

 

MÉTHODE MONTE-CARLO

La méthode de Monte-Carlo est le nom donné à une technique scientifique utilisant des suites de nombres aléatoires pour approcher la solution d’un problème mathématique ou physique.

Bien que des méthodes de Monte-Carlo soient employées de diverses manières, dans le contexte des calculs moléculaires, il y a cinq types plus généralement rencontrés:

> Monte-Carlo « classique », ou CMC : des échantillons sont tirés d’une distribution de probabilité,souvent la distribution classique de Boltzmann, pour obtenir les propriétés, les structures d’énergie minimum et/ou les coefficients thermodynamiques, ou encore juste pour prélever des conformères en tant qu’élément d’un algorithme de recherche global de conformères.

> Monte-Carlo « quantique », ou QMC : des marches au hasard sont employées pour calculer des niveaux quantiques d’énergies et des fonctions d’ondes, pour résoudre, le plus souvent, des problèmes de structures électroniques et ceci en utilisant l’équation de Schroedinger comme point de départ formel.

> Monte-Carlo quantique avec « chemin-intégral », ou PMC : des intégrales de mécaniques statistiques quantiques sont calculées pour obtenir les propriétés thermo-dynamiques, en utilisant l’intégrale du chemin de Feynman comme point de départ formel.

Monte-Carlo « volumétrique », ou VMC : des générateurs de nombres aléatoires et quasi-aléatoires sont utilisés pour produire des volumes moléculaires et pour prélever les surfaces moléculaires dans l’espace des phases.

Monte-Carlo par « simulation », ou SMC:des algorithmes stochastiques sont employés pour produire des conditions initiales pour des simulations quasi-classiques de trajectoire, ou pour simuler des processus effectifs en utilisant des arguments de graduation pour établir des échelles de temps ou en introduisant des effets stochastiques dans la dynamique moléculaire.

DYNAMIQUE MOLÉCULAIRE

La mécanique moléculaire est aujourd’hui largement utilisée pour modéliser des systèmes moléculaires, la conformation des molécules, leurs propriétés thermodynamiques et leurs spectres vibrationnels.

C’est une méthode empirique résultant de l’ajustement de résultats expérimentaux sur des fonctions mathématiques (mécanique newtonienne) pour décrire les interactions attractives et répulsives entre les atomes. L’ensemble des paramètres ainsi obtenus constitue ce que l’on appelle un champ de force.

Alors que la mécanique moléculaire est purement statique, la dynamique moléculaire introduit la notion d’agitation thermique et permet de suivre le mouvement des molécules dans le temps. La mécanique et dynamique moléculaire permettent d’étudier des systèmes comportant plusieurs centaines de milliers d’atomes.

 

SPECTROSCOPIE IR ET FTIR/ATR

La spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier (IRTF ou FTIR) est basée sur l’absorption d’un rayonnement infrarouge par l’échantillon analysé.

L’échantillon à analyser est plaqué contre un cristal faiblement absorbant et d’indice de réfraction élevé. Le faisceau infrarouge pénètre dans le cristal (élément de réflexion interne) et est réfléchi plusieurs fois à l’interface cristal-échantillon.

A chaque réflexion, le faisceau pénètre sur une courte distance (onde évanescente) dans l’échantillon ce qui provoque les absorptions. C’est la méthode dite de la réflexion totale atténuée (ATR).

Chaque réflexion des radiations infrarouges en surface provoque des vibrations caractéristiques des liaisons chimiques de l’échantillon. Nous obtenons une réelle signature chimique de l’échantillon sous forme de spectres infrarouges.

La spectrométrie infrarouge est donc une méthode d’identification qualitative et quantitative.

Cette technique d’analyse très sensible, couplée à notre expertise en traitement de surface et fonctionnalisation de matériaux, nous a permis de mettre au point des biocapteurs infrarouges de très grande sensibilité.

Les limites de détections obtenues sont de l’ordre de la femto-mole pour certaines applications dans des domaines très variés (médical, agroalimentaire, santé publique,…).

Échelle mésoscopique (10~100 nm)

DIP COATING

DÉPÔT DE FILMS MINCES

Le dip coating est une technique de déposition de films minces (polymères, cristaux liquides, …) supportés. L’avantage de cette méthode de mise en oeuvre est l’obtention de films homogènes déposés sur différents types de substrats plats (verre, silicium, …).

On procède comme suit :

> Le matériau à base duquel on souhaite produire un film est mis en solution, la concentration est contrôlée de manière à obtenir l’épaisseur souhaitée pour le film.

> Le substrat est progressivement plongé dans la solution.

> Le substrat est extrait de la solution à une vitesse contrôlée, un film liquide est formé.

> Le solvant s’évapore petit à petit.

> On obtient un film homogène, plus épais que les films préparés par spin-coating avec les mêmes solutions.

MICROSCOPE ÉLECTRONIQUE À BALAYAGE

Le grossissement d’un microscope optique est limité par la longueur d’onde de la lumière visible ; aucun détail de dimension inférieure à 0.2 µm ne peut être observé.

Nous disposons au laboratoire d’un microscope électronique à balayage (MEB) de table HIROX-SH 3000.

Il est constitué d’un canon à électrons, d’une lentille magnétique, de bobines de balayage, d’une pompe à vide et d’un détecteur.

Son principe est assez simple: l’échantillon à observer est balayé par un faisceau électronique. Suite à ce bombardement, des électrons secondaires de très faible énergie sont produits. Ces électrons secondaires sont détectés, amplifiés, puis analysés pour reconstruire une image en fonction de l’intensité du courant électrique produit.

Le MEB réalise donc une topographie de l’échantillon à analyser (voilà pourquoi le MEB fournit des images en noir et blanc).

L’appareil dont nous disposons envoie un faisceau d’environ 10 nm de diamètre. Nous pouvons ainsi détecter des particules d’une dimension minimale de 100 nm.

La Microélectronique, les nanotechnologies, les sciences des matériaux et même la biologie sont des domaines où on utilise massivement le MEB comme outil d’observation.

MICROSCOPIE INTERFÉROMÉTRIQUE

La microscopie interférométrique, par l’analyse des figures d’interférences de la lumière réfléchie par une surface, permet de mesurer l’épaisseur de films liquides minces. Cette méthode utilisable essentiellement sur des surfaces lisses est la plus simple pour mesurer de faibles angles de contact de manière statique ou dynamique.

PLASMA CLEANER

Le nettoyage au plasma permet l’enlever les impuretés et les contaminants de surfaces à travers l’utilisation d’un plasma énergétique crée à partir d’espèces gazeuses  Des gaz tels que l’argon et d’oxygène ainsi que des mélanges tels  que l’air et de l’hydrogène/ azote sont utilisés.

Le plasma est créé en utilisant des tensions à haute fréquence (typiquement kHz et MHz )pour ioniser le gaz basse pression (généralement autour de la pression 1/1000 atmosphérique) bien que les plasmas à pression atmosphérique sont maintenant aussi commun.

Dans un plasma, les atomes de gaz sont excités à des états d’énergie plus élève et aussi ionisé.

Comme les atomes et les molécules « relax » à leurs normales, des états d’énergie inférieurs, ils libèrent un photon de lumière, cela se traduit dans la caractéristique « lueur » ou de la lumière associée à plasma. Différents gaz donnent  des couleurs différents. Par exemple, un plasma à oxygène émet une lumière de couleur bleue.

Un plasma comprennent des atomes, des molécules, des ions, des électrons, les radiaux libres, des photons dans l’ultraviolet à ondes courtes (UV sous vide, ou VUV pour faire court) gamme .Dans ce mélange qui est autour de la température ambiante, puis interagit avec n’importe quelle surface placée dans le plasma.

Si le gaz utilisé est oxygène, le plasma est un moyen efficace, économique, sécuritaire et écologique pour la méthode de nettoyage critique. L’énergie VUV est très efficace dans la rupture de la plupart des liens organiques tels que C-H, C-C, C=C, C-o, C-N) de contaminants de surface.

Cela contribue à briser des contaminants de poids moléculaires  élevé. Une action de nettoyage seconde est effectuée par les espèces oxygènes  crées dans le plasma. Ces espères réagissent avec les contaminants organiques pour former H2O, CO, CO2.Ces composés relativement élèves et des pressions de vapeur sont évacués de la chambre pendant le traitement.

La surface obtenue est ultra-propre.

PHOTOLITHOGRAPHIE

La photolithographie est une technique qui permet de réaliser des topographies à volonté.

Pouvant structurer jusqu’au micron en XY, la hauteur sera fonction de l’épaisseur du film de polymère photosensible ajouté à la surface.

La topographie résultant est limitée à deux niveaux. Elle est contrôlée par les dessins du masque de photolithographie utilisé qui filtre la lumière UV en des endroits voulus.

Lors du processus cette lumière solidifie le polymère là où elle passe. Contrôler ainsi les endroits où la lumière va passer permet d’obtenir des topographies.

POLISSAGE

Dans ce laboratoire, nous utilisons le polissage mécanique dans le cadre de la préparation et du traitement de surface.

Avec notre polisseuse, nous pouvons traiter différents matériaux (métaux, cristaux de germanium, silicium,…) de taille et de forme différentes.

Nous pouvons moduler la vitesse ainsi que la pression sur l’échantillon afin d’optimiser la finition de polissage.

Ainsi, nous pouvons créer des surfaces qui présentent des finitions « mat » (surfaces avec une rugosité milli ou micrométrique contrôlée) jusqu’à des finitions dites « poli-miroir ».

Par exemples, avec des échantillons de cuivre, nous pouvons descendre à une rugosité Ra inférieure à 10 nm.

Pour ce faire, nous utilisons des disques de polissage présentant une granulométrie variée couplés à des liquides de polissage contenant des suspensions colloïdales de micro et nanobilles de SiO2.

MODÉLISATION MOLÉCULAIRE

Différentes techniques complémentaires sont utilisées pour simuler les propriétés des matériaux à plusieurs échelles.

 

ALGORITHME GÉNÉTIQUE

Les algorithmes évolutionnaires sont des méthodes stochastiques de recherche de solutions basées sur les principes de l’évolution naturelle selon Darwin.

Ces algorithmes mathématiques transforment un ensemble de solutions potentielles (appelé « population ») associées à une valeur de « fitness » (critère de validité) en un nouveau jeu de solutions (nouvelle « génération ») par des opérations similaires aux opérations de génétique naturelle de Darwin: on parle de « sélection », de « mutation » et de « croisement ». Chaque élément est considéré comme un « individu ». Les « individus » initiateurs sont les « parents » et les individus générés sont les « enfants ».

 

MÉTHODE MONTE-CARLO

La méthode de Monte-Carlo est le nom donné à une technique scientifique utilisant des suites de nombres aléatoires pour approcher la solution d’un problème mathématique ou physique.

Bien que des méthodes de Monte-Carlo soient employées de diverses manières, dans le contexte des calculs moléculaires, il y a cinq types plus généralement rencontrés:

> Monte-Carlo « classique », ou CMC : des échantillons sont tirés d’une distribution de probabilité,souvent la distribution classique de Boltzmann, pour obtenir les propriétés, les structures d’énergie minimum et/ou les coefficients thermodynamiques, ou encore juste pour prélever des conformères en tant qu’élément d’un algorithme de recherche global de conformères.

> Monte-Carlo « quantique », ou QMC : des marches au hasard sont employées pour calculer des niveaux quantiques d’énergies et des fonctions d’ondes, pour résoudre, le plus souvent, des problèmes de structures électroniques et ceci en utilisant l’équation de Schroedinger comme point de départ formel.

> Monte-Carlo quantique avec « chemin-intégral », ou PMC : des intégrales de mécaniques statistiques quantiques sont calculées pour obtenir les propriétés thermo-dynamiques, en utilisant l’intégrale du chemin de Feynman comme point de départ formel.

Monte-Carlo « volumétrique », ou VMC : des générateurs de nombres aléatoires et quasi-aléatoire sont utilisés pour produire des volumes moléculaires et pour prélever les surfaces moléculaires dans l’espace des phases.

Monte-Carlo par « simulation » , ou SMC :des algorithmes stochastiques sont employés pour produire des conditions initiales pour des simulations quasi-classique de trajectoire, ou pour simuler des processus effectifs en utilisant des arguments de graduation pour établir des échelles de temps ou en introduisant des effets stochastiques dans la dynamique moléculaire.

DYNAMIQUE MOLÉCULAIRE

La mécanique moléculaire est aujourd’hui largement utilisée pour modéliser des systèmes moléculaires, la conformation des molécules, leurs propriétés thermodynamiques et leurs spectres vibrationnels.

C’est une méthode empirique résultant de l’ajustement de résultats expérimentaux sur des fonctions mathématiques (mécanique newtonienne) pour décrire les interactions attractives et répulsives entre les atomes. L’ensemble des paramètres ainsi obtenus constitue ce que l’on appelle un champ de force.

Alors que la mécanique moléculaire est purement statique, la dynamique moléculaire introduit la notion d’agitation thermique et permet de suivre le mouvement des molécules dans le temps. La mécanique et dynamique moléculaire permettent d’étudier des systèmes comportant plusieurs centaines de milliers d’atomes.

 

SPECTROSCOPIE UV/VISIBLE

La spectromètrie ultraviolet (UV)-visible est une technique d’analyse optique non destructive mettant en jeu les photons dont les longueurs d’onde sont dans le domaine de l’ultraviolet (200~400 nm), du visible (400~750 nm) ou du proche infrarouge (750~1400 nm). Soumis à un rayonnement dans cette gamme de longueurs d’onde, les molécules du substrat analysé peuvent subir des transitions électroniques.

Les échantillons analysés sont le plus souvent en solution. Un détecteur mesure l’intensité de la lumière (I) passant à travers l’échantillon analysé et la compare à l’intensité de la lumière passant dans un échantillon de référence (I0). Le rapport I / Io, appelé transmittance, est habituellement exprimé en pourcent.

On obtient donc un spectre UV-visible qui relie la transmittance (ou l’absorbance) à la longueur d’onde dans les régions visible et ultraviolette. Les longueurs d’ondes des pics de transmittance (ou d’absorption) peuvent être corrélées avec les types de liaisons dans une molécule donnée et sont valables pour déterminer les groupes fonctionnels dans une molécule.

Nous pouvons ainsi effectuer des analyses qualitatives et quantitatives pour déterminer la concentration d’une entité chimique en solution par exemple.

SPIN COATING

DÉPÔT DE FILMS MINCES

Le spin coating est une technique de déposition de films minces (polymères, cristaux liquides, …) supportés.

L’avantage de cette méthode de mise en oeuvre est l’obtention de films homogènes déposés sur différents types de substrats plats (verre, silicium, …).

On procède comme suit :

> Le matériau à base duquel on souhaite produire un film est mis en solution, la concentration est contrôlée de manière à obtenir l’épaisseur souhaitée pour le film.

> Le substrat est recouvert d’un excès de solution.

> Le substrat et la solution sont mis en rotation à haute vitesse.

> La solution s’étale, le solvant s’évapore.

> On obtient un film homogène

Échelle macroscopique (µm)

ANGLES DE CONTACT STATIQUES ET DYNAMIQUES POUR MILIEUX POREUX ET GRANULAIRE

Le LPSI possède de nombreuses techniques expérimentales permettant de caractériser le mouillage de poudres.

Une poudre est un assemblage de particules solides hétérogènes dispersées dans une phase continue gazeuse entre lesquelles s’exerce une multitude d’interactions. La mouillabilité d’une poudre ne va donc pas seulement dépendre de son affinité envers un liquide (comme pour une surface plate ou une fibre) mais aussi de son empilement.

Ce double effet est décrit par l’équation de Washburn qui est le principal modèle utilisé permettant de décrire la dynamique de montée capillaire d’un liquide dans une colonne de poudre.

Ce modèle se base sur une représentation idéale du milieu poreux obtenu à partir de l’empilement des poudres. Le système est alors décrit comme étant un tube de rayon r* et de mouillabilité définie par un angle de contact d’équilibre q0* établi entre le liquide, la paroi du tube et le gaz environnant. L’astérisque associé à chacun des paramètres signifie que se sont des paramètres effectifs qui ne peuvent être mesurés directement par l’expérience.

Une modification, validée par modélisation moléculaire, de l’équation de Washburn a été effectuée en y incluant un terme relatif à la dynamique de mouillage (angle de contact dynamique plutôt que statique) permettant une amélioration de la caractérisation des interactions poudre/liquide.

Pratiquement, un tube (en verre ou en acier inoxydable) dont la base est équipée d’un fritté, est rempli avec la poudre à étudier et accroché à la balance. Dès que le liquide entre en contact avec le bord inférieur du tube, la prise de masse en fonction du temps est enregistrée.

Une méthode permettant de connaître de façon indépendante r* et q0* pour un type système poudre/liquide, est d’effectuer une première expérience avec un liquide qui est supposé mouiller totalement la poudre (un alcane par exemple), c’est-à-dire pour lequelq0* = 0°, il est alors possible d’obtenir r*. En utilisant la même poudre et le même empilement, donc le même r*, mais cette fois le liquide à étudier,  q0* pourra être déterminé.

BAR COATER

Applicateur automatique ou manuel de films compacts permettant obtenir des films d’épaisseur et d’aspect uniforme, en appliquant le produit testé à vitesse constante. L’épaisseur de ce film est déterminée par  une barre d’acier.

Les barres sont produites par enroulement de fil d’acier sur une barre d’acier, en laissant une série régulière de rainures, qui contrôlent l’épaisseur du film mouillée. Une gamme de barres est disponible avec différents diamètres de fil, ce qui permet de donner différentes épaisseurs de films.

CCD ET CAMÉRA HAUTE VITESSE

Les caméras haute vitesse que nous possédons permettent la visualisation des phénomènes très rapides. Ces caméras qui vont jusqu’à plusieurs milliers (ou même dizaines de milliers à plus faibles résolutions) d’images par seconde permettent de mieux comprendre la physique de phénomènes transitoires.

Ainsi le début du mouillage d’une goutte, un impact ou le détachement d’une bulle lors d’ébullition sont des phénomènes très rapides où l’essentiel de la physique se déroule souvent durant la ou les premières millisecondes et est donc invisible avec une caméra normale.

Visualisation, mesures et quantification sont la première étape à la compréhension et future modélisation des phénomènes physiques.

RECOUVREMENT DE SURFACES

Comment protéger la surface d’un matériau ? Comment optimiser une peinture protectrice ? un vernis ?

Toutes les caractéristiques fonctionnelles des matériaux sont largement déterminées par les propriétés de leurs surfaces et de leurs interactions avec les milieux extérieurs. La fonction d’un matériau, en termes des propriétés telles que le recouvrement, la mouillabilité, … peut être optimalisée par des traitements moléculaires. Le vrai défi réside dans la compréhension intime de ces propriétés interfaciales qui vont affecter la fonction des matériaux et déterminer, de ce fait, leur valeur technologique et économique.

Grâce à l’engineering moléculaire et notre connaissance des propriétés recherchées à partir des expériences, de la théorie et de la modélisation par ordinateur, toutes techniques disponibles au LPSI, nous explorons les moyens de commander le comportement et les propriétés complexes des surfaces des matériaux.Combinant des techniques complémentaires, nous déterminons les mécanismes au niveau moléculaire qui commandent les processus physico-chimiques au voisinage des interfaces.

Réalisation industrielle à l’actif du LPSI: amélioration des performances de coating d’un film déroulant.

Depuis maintenant 10 ans, le LPSI s’est engagé avec succès dans cette voie puisqu’il compte à présent parmi les équipes de recherche spécialisées dans le domaine des recouvrements ou coating de surface comme en attestent ses participations à plusieurs programmes de recherche européens ainsi que les nombreux contacts noués dans les milieux industriels.

Le LPSI a aussi acquis une expertise importante dans les techniques de structuration et de préparation de surface, sur les plans théoriques et expérimental, ainsi que de nouveaux outils de caractérisation de la qualité des recouvrements, à la fois très performants et très rapides dans leur mise en œuvre.

Parmi ces recouvrements de surface étudiés au laboratoire, mentionnons le spin coating, le dip coating, le coating par rouleau, …

GONIOMÉTRIE

Le LPSI possède deux équipements de mesure d’angles de contact équipés de caméras 50 images par seconde : l’un non-automatique (le G-contact) et l’autre entièrement automatisé (le Drop Shape analyser Krüss DSA100 Expert).

D’un côté, le G-contact nous donne une souplesse de manipulation sur la taille et la forme de l’échantillon à étudier. Il est équipé d’un système haute température allant jusqu’à 250°C (liquide et surface contrôlés de manière indépendante).

D’un autre côté, le Krüss DSA 100 est équipé d’une chambre à humidité contrôlée (5-85%) et à température du substrat et du liquide (5-90°C) contrôlée, d’un éclairage automatique, d’un contrôle précis des paramètres de déposition et d’une analyse des résultats instantanée.

Le Krüss DSA 100 nous permet aussi d’étudier la déposition d’une goutte sur plan incliné de 0 à 90° (mesures d’angles de glissance, hystérèses d’angles de contact).

L’angle de contact est déterminé à partir de l’image de la goutte sur la surface. La forme de la goutte et la ligne de contact (ligne de base) avec le solide sont tout d’abord déterminées par analyse de valeurs de niveau de gris des pixels de l’image. Un fit de la forme de la goutte est fait par un modèle mathématique qui est ainsi utilisé pour calculer l’angle de contact : c’est la détection de bords.

Les méthodes de calcul de l’angle de contact diffèrent en fonction du modèle mathématique utilisé pour analyser la forme de la goutte. Il convient donc de bien choisir ce modèle.

Des mesures des angles de contact d’un liquide sur un substrat, on peut déterminer les énergies de surface du solide.

Le LPSI dispose de toutes les techniques nécessaires à la mesure de ces grandeurs caractéristiques :

> la mesure des angles de contact d’au moins deux liquides sur un substrat nous donne les composantes dispersive et polaire de la surface par la méthode d’Owens-Wendt (gS = gSd + gSp)

> la mesure des angles de contact d’au moins trois liquides sur un substrat nous donne les composantes de Lifshitz-Van der Waals (dispersive) et acide-base de la surface par la méthode de Good-Van Oss-Chaudhery (gS = gSLW + gSAB).

> la mesure des angles de contact d’une série de liquides similaires comme une série d’alcanes sur un substrat nous donne l’énergie de surface critique (gC) par la méthode de Zisman.

Ces mesures peuvent être effectuées sur des surfaces plates ou courbes et même sur des fibres.

MICROBALANCE À QUARTZ (QCM)

La microbalance à quartz (QCM) est un instrument de haute précision permettant de mesurer les variations de masse à la surface d’une électrode.

La microbalance à quartz est une méthode basée sur les propriétés piezoélectriques du quartz. Elle est très sensible et permet donc la mesure de très faibles variations de masses à la surface de l’électrode (quelques nanogrammes).

MICROSCOPIE

UNE AUTRE APPROCHE DES PHÉNOMÈNES DE MOUILLAGE

Le LPSI a acquis au cours de ces dernières années divers équipements optiques nécessaires à une étude complète et diverse du mouillage aux interfaces: mesure des angles de contact très faibles, étude des mécanismes d’étalement en surface, influence de la température sur le mouillage…

Interférométrie optique

Pour les angles de contact très petits (inférieurs à 1°), ce sont les techniques de mesures interférométriques qui sont utilisées. Elles possèdent une précision de l’ordre de 0.01°.

Ces techniques combinées aux techniques de mesure de mouillabilité par goniométrie ont permis notamment d’étudier les phénomènes de mouillage sur plusieurs décades de temps.

Microscopie de fluorescence

La microscopie de fluorescence est une technique grandissante parmi les techniques d’acquisition d’images scientifiques. La formation d’une image par fluorescence présente plusieurs avantages.

Dans le domaine biologique, par exemple, les pigments fluorescents spécifiques, conjugués aux anticorps ou aux protéines présents dans le milieu étudié permettent d’examiner la présence de molécules « invisibles » et cela de manière très rapide.

Par comparaison, la préparation des kits nécessaires aux études par miscoscopie électroniuque classique peut prendre plusieurs jours tandis que les pigments fluorescents sont appliqués en quelques minutes.

En outre, ces derniers sont non toxiques pour les milieux vivants et donc permettent d’étudier les cellules en activité. L’une des applications spécifiques du LPSI concerne l’étude par cette méthode de l’étalement de liquides biologiques monomoléculaires sur des surfaces planes.

Les résultats expérimentaux permettent de corréler les études par modélisation moléculaire des mécanismes impliqués.

Microscopie optique

Le LPSI possède désormais un microscope optique de type NIKON OPTISHOT II. Il permet notamment l’étude du mouillage sous un contrôle in situ de la température pouvant varier de -196°C à +600°C avec une précision de +/- 0.1°C. Relié à un système informatique, il est possible de programmer des rampes et des cycles de températures.

TENSIOMÉTRIE

La tension superficielle g est définie comme l’énergie à fournir pour augmenter la surface d’une unité. Elle s’exprime en mN/m. Le LPSI dispose de deux méthodes classiques de mesure de la tension superficielle de liquides :

> la méthode de Wilhelmy qui consiste à plonger une lame de platine de périmètre P dans un réservoir de liquide de tension superficielle g. On élève ensuite la lame et on mesure, à l’aide d’une balance, la force capillaire F exercée sur la lame. Au moment où la lame se détache de la surface de liquide, la poussée d’Archimède est nulle et on mesure : F = g·P . On en déduit g.

> la méthode de la goutte pendante dans laquelle on caractérise la géométrie d’une goutte de liquide suspendue librement à l’extrémité d’un capillaire. Les forces capillaires permettent de maintenir une goutte en suspension à un capillaire et la gravité limite son volume. A l’équilibre capillarité/gravité, le profil de la goutte est ensuite ajusté à une forme théorique paramétrée par g. Le G-contact et le Krüss DSA 100 nous permettent d’utiliser cette méthode pour obtenir g.

TRIBOMÈTRE

La tribologie est la science qui étudie les phénomènes susceptibles de se produire lorsque deux corps en contact sont animés de mouvements relatifs. Il recouvre, entre autres, tous les domaines du frottement, de l’usure et de la lubrification.

La tribométrie a donc pour but de mesurer dynamiquement la friction (ou frottement) et l’usure en simulant les conditions réelles de friction dans le monde industriel afin de comprendre et d’anticiper les mécanismes d’endommagement tels que :

> Assurer le bon fonctionnement et la fiabilité des machines.

> Diminuer le coût d’obtention des surfaces frottantes.

> Améliorer le rendement et la longévité des machines.

> Assurer la sécurité des biens et des personnes.

> Contribuer à la santé publique et au confort, par exemple en diminuant les bruits liés aux contacts mécaniques.

Le coefficient de friction µ est défini par le quotient de la force tangentielle nécessaire pour créer ou entretenir le mouvement relatif de deux corps, par la force normale appliquant ces corps l’un sur l’autre. Dans le cas d’un création de mouvement, on parle de coefficient statique µs et dans le cas d’un entretien de mouvement, on parle de coefficient cinétique µk.

 Le tribomètre « pin-on-disk » de CSM Instruments est l’appareil utilisé au LPSI pour mesurer les coefficients de friction de manière reproductible sur de nombreux échantillons, qu’ils soient métalliques, polymères ou céramiques.

L’échantillon, placé en contact avec une bille montée sur un bras élastique, subit un déplacement rotatif. La faible déflection du bras permet de déterminer les forces tangentielles et donc le coefficient de frottement induit par ce déplacement.

Les taux d’usure pour l’échantillon et pour le matériau antagoniste sont calculés en déterminant la perte de volume par unité de distance parcourue.

Cette méthode simple facilite la détermination et l’étude des frottements et d’usure sur un grand nombre de combinaisons de matériaux, avec la gestion contrôlée de paramètres multiples tels que la durée de test, la pression de contact, la vitesse (0.3 à 500 tr/min), la température, l’hygrométrie, la lubrification, …

VISCOSIMÉTRIE

Le LPSI dispose d’un viscosimètre Brookfield DV-II + PRO Digital qui peut être contrôlé par PC et ainsi agir comme un rhéomètre avec une vitesse variable de 0.01 à 200 rpm.

Le principe de cet appareil est de mettre en rotation, par un ressort calibré, un cône immergé dans le fluide testé. La traînée de viscosité du fluide contre le cône est mesurée par la flexion du ressort. Cette dernière est mesurée avec un capteur rotatif.

La gamme de mesure du DV-II (en centipoise ou millipascal seconde) est déterminée par la vitesse de rotation du cône, sa taille et sa forme, la forme du récipient dans lequel le cône est en immersion et enfin de l’échelle de torsion du ressort calibré.

Les caractéristiques de cet appareillage :

> Facilité de nettoyage

> Haute plage de viscosité mesurable ( 1.7 mPa.s à 983 Pa.s)

> Gamme de températures disponibles:de 10 à 90°C

> Très petite quantité d’échantillon requise (500 microlitres)

> Possibilité de travailler à des taux de cisaillement élevés

> Temps de réponse court