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Etude de films minces confinés entre deux solides par ondes ultrasonores de cisaillement.

Julien Léopoldès, LPMDI, Université Paris Est Marne la Vallée

Les films minces de polymère ont parfois une température de transition vitreuse différente du matériau en masse [1]. Dans ce phénomène, un effet de confinement intrinsèque est toujours difficile à mettre en évidence car les interfaces film/solide et film/air sont à l’origine d’une structure globalement hétérogène. De plus, comment la variation de température de transition vitreuse est corrélée aux propriétés mécaniques reste encore assez mal compris à cause d’une dynamique spatiotemporelle complexe à l’échelle nanométrique [1-2]. Plus généralement, l’étude des polymères en film mince pourrait apporter des informations pertinentes sur la transition vitreuse et la plasticité des matériaux amorphes.
Dans cette présentation, nous décrivons une étude, par ondes ultrasonores de cisaillement, des propriétés de films minces confinés entre deux solides [3]. Les films sont déposés sur un résonateur en quartz. Après contact des films à l’aide d’une sonde sphérique, le mouvement relatif entre le résonateur et la sonde modifie la fréquence de résonance et le facteur de qualité du quartz. Nous illustrons deux cas en particulier.
En premier lieu, nous montrons comment les décalages en fréquence Δf et en facteur de qualité ΔQ-1 peuvent êtres reliés aux propriétés dynamiques de films d’épaisseur 10 – 200 nm. Pour un film de 200 nm de polydiméthysiloxane réticulé, nos résultats montrent que les propriétés dynamiques ne sont pas altérées par rapport au même composé en masse. Pour des films plus minces (<100 nm), liquides ou réticulés, nous observons un phénomène de mouillage dynamique de la sonde. La détermination quantitative des modules dynamiques est alors plus complexe. En revanche, on peut déterminer l’angle de perte tan d, car l’élasticité et la dissipation sont issues de la même structure géométrique. Pour les films les plus minces, on obtient une tan d effective plus faible que pour le film épais.
En second lieu, nous étudions avec le même dispositif les effets de la friction provoquée par différentes couches de molécules auto assemblées, d’épaisseur 1 nm [4-5]. Nous nous intéresserons en particulier aux effets conjoints de la friction et de l’adhésion.

[1] J. A. Forrest , J. Mattson, Phys. Rev. E 61, R53–R56 (1999)
[2] E. V. Russell, N. E. Israeloff, L. E. Walther, H. Alvarez Gomariz, Phys. Rev. Lett. 81, 1461–1464 (1998)
[3] J. Léopoldès et X. Jia, Europhys. Lett. 88, 34001 (2009)
[4] M.H. Muser, L. Wenning, M.O. Robbins, Phys. Rev. Lett. 86,1295–1298 (2001)
[5] L. Bureau, C. Caroli, T. Baumberger, Phys. Rev. Lett. 97 255501 (2006)