Energy dissipation of a contact line moving on a nanotopographical defect
Résumé
Understanding the origin of the dissipative mechanisms that control the dynamics of a contact line is a real challenge. In order to study the energy dissipation at the contact line when a moving meniscus encounters topographical defects, we developed atomic force microscopy (AFM) experiments using nanofibers with nanometer scale defects. These experiments realized with three liquids are performed in two AFM modes: the contact mode (C-AFM) is used to measure the energy associated with the contact angle hysteresis in the limit of a static situation, deduced from advancing and receding dipping experiments on an isolated defect; the frequency-modulation mode (FM-AFM) is performed at different amplitudes and then velocities to measure the energy dissipated as the contact line moves over the same defect. Strong dissipation peaks appear above a threshold amplitude characteristic of the liquid and the defect, which is determined by the width of the hysteresis measured in statics. Furthermore, the dissipation energy of the moving contact line measured in dynamics is equal to the hysteresis capillary energy whatever the amplitude and is therefore independent of the contact line velocity. These results point out that the defect contribution to dissipation energy of a moving contact line on real surfaces is only governed by the pinning–depinning energy with no contribution of viscous effects.
Comprendre l'origine des mécanismes dissipatifs qui contrôlent la dynamique d'une ligne de contact est un véritable défi. Afin d'étudier la dissipation d'énergie à la ligne de contact lorsqu'un ménisque en mouvement rencontre des défauts topographiques, nous avons développé des expériences de microscopie à force atomique (AFM) en utilisant des nanofibres avec des défauts à l'échelle du nanomètre. Ces expériences réalisées avec trois liquides sont effectuées dans deux modes AFM : le mode contact (C-AFM) est utilisé pour mesurer l'énergie associée à l'hystérésis de l'angle de contact dans la limite quasistatique.
Le mode de modulation de fréquence (FM-AFM) est utilisé à différentes amplitudes et donc vitesses pour mesurer l'énergie dissipée lorsque la ligne de contact se déplace sur le même défaut. Des pics de dissipation apparaissent au-dessus d'un seuil d'amplitude caractéristique du liquide et du défaut, qui est déterminé par la largeur de l'hystérésis mesurée en statique. De plus, l'énergie de dissipation de la ligne de contact en mouvement mesurée en dynamique est égale à l'énergie capillaire de l'hystérésis quelle que soit l'amplitude et est donc indépendante de la vitesse de la ligne de contact. Ces résultats soulignent que la contribution des défauts à l'énergie de dissipation d'une ligne de contact mobile sur des surfaces réelles est uniquement gouvernée par l'énergie d'ancrage-désencrage sans contribution des effets visqueux.
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