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Une formule analytique simple pour estimer les forces capillaires entre contacts mouillants de taille nanométrique

Quand on descend vers des très petites échelles spatiales, les effets de surface deviennent prépondérants. C’est ainsi que la condensation capillaire, résultante de l’effet des surfaces sur le diagramme de phase d’un fluide, est un phénomène très répandu à l’échelle nanométrique et affecte toute les géométries confinées : milieux divisés, fissures, contacts entre surfaces, ... Par leur très grande intensité, induite par la forte courbure des ménisques, les forces capillaires dominent souvent sur les autres interactions et ont un grand impact sur les propriétés mécaniques des contacts solides. On peut citer le comportement tribologique et de stiction dans les systèmes micro/nanoéléctromécaniques (MEMS, NEMS), la cohésion et l’écoulement des poudres et des granulaires, le frottement vieillissant dans les nanocontacts, dont la pointe AFM (ayant un rayon typique de 10 nm) est l’exemple plus remarquable et plus utilisé pour les investigations quantitatives des forces capillaires. Nous abordons ici le problème des forts désaccords en littérature sur la mesure et interprétation des forces capillaires (pull-off) entre une pointe AFM et une surface hydrophile en fonction de l’humidité relative. La grande variabilité origine en partie d’une claire difficulté expérimentale, mais aussi d’une utilisation souvent incorrecte des modèles approchés, notamment quand le rayon de courbure du contact devient comparable avec la courbure du ménisque. Des modèles exactes existent pour le cas du mouillage partiel (Orr et al. (J. Fluid. Mech. 1975, 67, 723), mais leur application est limitée par la complexité mathématique. Nous présentons ici une extension de tel modèle aux cas du mouillage parfait, ainsi qu’une expression analytique approchée permettant un calcul simple dans tous les cas de figure.

J Crassous, M Ciccotti et E Charlaix. Langmuir (2011) 27 : 3468–3473