Detachment of immersed microparticles and the collective dynamics of microspheres in evaporating droplets
Décrochement de microparticules immergées et dynamique collective de microsphères dans une goutte en évaporation
Résumé
Dirts or microparticles are usually small enough to be invisible to the naked eye, but their effects may be substantial in our daily life. For instance, their presence is often undesirable in various domains such as in food industries where they may act as polluting agents or in microelectronics where they can be a source of faulty microfabrication.In the first part of this thesis, we investigate experimentally the dependence of particle adhesion on time and temperature using a patch-clamp technique. The widely used adhesion models do not match our experimental data proving that the models are limited to a certain range of experimental conditions. Furthermore, we speculate on the presence of an air bubble underneath the immersed particle that could modify the measured force required to detach the particle from its substrate. To confirm this hypothesis, we undertook numerical and experimental studies of the effect of such a trapped bubble. The bubble-induced force is studied to understand if the bubble facilitates or opposes the particle removal. The results are supported by experiments which demonstrate the presence of a trapped bubble when at least one of the involved surface, particle or substrate, is hydrophobic.The second part of this thesis is devoted to the collective dynamics of particles contained in an evaporating droplet.We established a specific protocol based on steps reported in literature, and observed a variety of patterns. We identify five possible modes of the contact line motion leading to the formation of these patterns. Among these, a new fingering-like pattern referred as ``braids'' is discovered.
Les objets micrométriques sont généralement suffisamment petits pour qu'on puisse les distinguer à l'œil nu, mais leurs effets indésirables peuvent être majeurs dans notre vie quotidienne. Par exemple, dans l'industrie agroalimentaire, des bactéries micrométriques sont une source de contamination tandis que dans l'industrie microélectronique la présence de toute poussière peut provoquer un défaut dans la microfabrication.Dans la première partie de ce manuscrit, on étudie expérimentalement l'adhésion sur un substrat de microparticules initialement contenues dans une gouttelette. Cette étude s'intéresse aux effets de conditions de séchage telles que la durée et la température sur cette adhésion. En utilisant la technique de patch-clamp, nous avons mesuré les forces requises pour détacher des microparticules de leurs substrats. Nous avons ensuite comparé nos résultats expérimentaux avec des modèles théoriques existants et avons constaté des différences substantielles. Nous avons associé ces différences à la présence de bulles d'air qui auraient été piégées sous les microparticules lors de leurs immersions avant les mesures en patch-clamp. Afin de confirmer cette hypothèse, nous avons développé un modèle numérique pour estimer la force exercée par de telles bulles sur les particules. Des expériences menées en complément aux résultats numériques sont venues ensuite confirmer la présence de bulles piégées lorsqu'au moins une des deux surfaces, celle de la particule ou de son substrat, est hydrophobe.Dans la deuxième partie du manuscrit, nous nous intéressons à la dynamique collective des particules contenues dans une goutte en état d'évaporation. Pour cela nous établissons d'abord un protocole expérimental spécifique en nous basant sur ceux proposés dans la littérature. En suivant ce protocole, plusieurs patterns ont été observés que nous avons associé à cinq modes de mouvement de la ligne de contact. Parmi ces patterns, on distingue un relevant du type ''fingering'', que l'on nomme ''braids'' et qui n'avait jamais été rapporté dans la littérature.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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