Frottement des hydrogels et interactions moléculaires entre polymères et surfaces

Proposition de thèse 2024-2027

Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (SIMM),
UMR 7615
Adresse  : ESPCI – 10 rue Vauquelin – 75231 Paris Cedex 05
Directeur de l’Unité : Etienne Barthel
Encadrement : Émilie Verneuil, Antoine Chateauminois

Contacts : ou
https://www.simm.espci.fr/-Matiere-Molle-Hors-Equilibre-.html

date limite de candidature 15/04/2024

(gauche) Schéma de l’expérience de frottement entre le gel et une sphere en silice : la vitesse V et la force normale Fn sont imposées et on mesure la force de frottement Ft (droite) Cette mesure macroscopique permet d’accéder aux caractéristiques physiques des mécanismes moléculaires à l’origine du frottement : Les chaines polymères du gel s’adsorbe sur la silice, elles sont ensuite étirées lors du glissement de la silice par rapport au gel, puis se désorbent quand la force f de rappel élastique devient trop grande. Ce processus dissipatif est à l’origine du frottement, qui dépend de l’énergie d’adsorption moléculaire et de l’élasticité des chaines. L’expérience permet donc une mesure des interactions moléculaires.

Résumé

La description de la dynamique des polymères près des surfaces solides est d’une grande importance pour la mécanique, l’adhésion, la friction ou les écoulements aux interfaces, car ils définissent les conditions limites et, à partir de celles-ci, l’ensemble de la réponse dynamique macroscopique de systèmes polymères. Cependant, il peut être difficile d’obtenir directement les caractéristiques physiques des potentiels d’interactions polymère/substrat (temps de vie, amplitude). En effet, la dynamique des polymères aux interfaces associe fortement les interactions polymère/substrat et les interactions polymère/polymère en volume.

Afin d’isoler les interactions polymère/substrat, nous avons mis au point des expériences de frottement spécifiques dans lesquelles une sonde sphérique en verre tourne sur elle-même et glisse sur des réseaux de polymères gonflés, souvent appelés gels. Dans ces systèmes dilués, nous avons montré que les mesures de la dépendance en vitesse de la force de frottement permettent de mesurer l’énergie d’interaction polymère/substrat ainsi que la densité de surface des sites d’adsorption [1]. A cette fin, les résultats expérimentaux ont été analysés dans le cadre d’un nouveau modèle théorique qui est basé sur l’hypothèse que l’énergie est dissipée à l’interface de glissement au cours d’une séquence accrochage - étirement - désorption et rétraction des chaînes de polymères de la surface du gel sur le substrat de verre.

Dans le cadre de ce projet, nous visons une meilleure description du potentiel d’interaction entre les chaînes de polymères et la surface du verre en explorant le régime très peu étudié des faibles vitesses de glissement (typiquement inférieures au micron par seconde). En effet, dans la littérature, des données expérimentales et des modèles théoriques développés dans le contexte de la spectroscopie de force à molécule unique [2,3] en biophysique suggèrent que ce régime de faible vitesse pourrait fournir de nouvelles informations concernant la durée de vie et l’amplitude des interactions moléculaires à l’interface. Nous explorerons ce régime en jouant sur la physico-chimie de l’interface. Pour cela, la physico-chimie de la sonde de verre sera variée par le greffage de mélanges de différents silanes. De plus, nous modifierons la surface du gel par le greffage de polymères aux propriétés physico-chimiques différentes (polyélectrolytes, longueurs de chaines variées...) afin de moduler les interactions moléculaires à l’interface.

Profil et compétences recherchées

Un candidat physicien ou physico-chimiste ayant un goût pour l’expérimentation est recherché. Des connaissances en physique de la matière molle et sur la physico-chimie des surfaces seront appréciées

References
1. L. Ciapa, L. Olanier, Y. Tran, C. Frétigny, A. Chateauminois & E. Verneuil, Friction through molecular adsorption at sliding interfaceof hydrogels : theory and experiments, submitted to Soft Matter
2. Friddle, R. W., Noy, A. & De Yoreo, J. J. Interpreting the widespread nonlinear force spectra of intermolecular bonds. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 13573–13578 (2012).
3. Friddle, R. W., Podsiadlo, P., Artyukhin, A. B. & Noy, A. Near-Equilibrium Chemical Force Microscopy. J. Phys. Chem. C 112, 4986–4990 (2008)
 

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