Le but de cette thèse est de faire évoluer les connaissances et la compréhension des systèmes lubrifiants en milieux aqueux, synthétiques comme biologiques. Pour cela, nous élaborons des systèmes de monocouches auto-assemblées de microgels thermosensibles de pNIPAM cationiques afin d’en étudier les propriétés mécaniques et nanotribologiques. Nous mettons au point plusieurs synthèses de microgels afin d’étudier l’effet de l’élasticité sur le comportement tribologique. Nous regardons également l’effet de la nature du greffage des microgels en sur-face, en élaborant une méthode de couplage chimique novatrice, pour comparer les propriétés de monocouches physi- et chimisorbées. Nous étudions les propriétés mécaniques en mi-lieux aqueux des couches des différents microgels en fonction de la température, de la nature du greffage et du sel en présence, à l’aide d’une Microbalance à Cristal de Quartz avec mesure de Dissipation (QCM-D). Le coeur de notre étude est réalisé à l’aide d’un Appareil de Forces de Surface (SFA) modifié pour permettre des mesures tribologiques, dont les résultats seront traités en deux parties. La première consiste à caractériser les forces normales de surface lors-que l’on comprime deux surfaces décorées de microgels. La seconde est constituée de l’ana-lyse de ces surfaces sous compression et cisaillement. Nous explorons les propriétés lubrifiantes du système et observons l’apparition une force de normale dépendant de la vitesse de cisaillement, et dont nous cherchons l’origine. Nous avons ainsi découvert un mécanisme propre au substrat souple, décoré de particules discrètes avec un contact répulsif sans friction à longue portée. / The aim of this project is to advance the knowledge and understanding of lubricating systems, whether synthetic or biological, in aqueous media. For this purpose, we develop self-assem-bled monolayer 2D-arrays of cationic pNIPAM thermosensitive microgels in order to study their mechanical and nanotribological properties. We establish several synthetic routes to modulate the microgel rigidity and study its effect on the tribological behaviour. We also look at the effect of the grafting nature of microgels on the substrate, by developing an innovative chemical coupling method, to compare the properties of physisorbed and chemisorbed mon-olayers. We probe the mechanical properties of the microgel layers in aqueous environment while varying the temperature, the nature of the grafting and the salts added to the system, primarily by using a Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring (QCM-D). The core of our study is performed using a modified Surface Forces Apparatus (SFA) which allows for tribological measurements, the results of which will be treated in two parts. First, we char-acterise the normal surface forces when compressing two surfaces decorated with the micro-gel layers. Second, we study the behaviour of these surfaces under compression and shear. We explore their lubricant properties and observe the appearance of a shear-induced velocity-dependent lift force, whose origin we seek to determine. We thus discovered a mechanism specific to a compliant substrate, decorated with discrete particles presenting a repulsive con-tact without friction at long range.

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Polymer brushes provide the responsive smart surfaces which can be used for fabrication of various devices. In this thesis work, adhesion, friction, and wear of polystyrene (PS) - poly(2-vinyl pyridine) (P2VP) and polystyrene - poly(acrylic acid) (PAA) binary brushes and corresponding monobrushes were investigated in dried state under controlled environment. Spin-coated films were also investigated for comparison. The aim was to explore possibilities to control/tune adhesion, friction, and wear between inorganic or polymeric surfaces by use of polymer brushes. Atomic force microscopy (AFM) with sharp silicon nitride tip and colloidal probes was employed to investigate the nanoscale adhesion and friction forces between different inorganic and polymeric surfaces. Adhesion and friction on the polymer brushes were comparable to that on the spin-coated films. Adhesion and friction force values were correlated, and were in accordance with the wettability of the brush surfaces for most of the samples. Switching in the adhesion and friction forces was observed for the PS+P2VP and PS+PAA binary brushes on treatment with selective solvents. Maximum switching in adhesion force and friction coefficient was by a factor of 2.7 and 5.4, respectively. Furthermore, switching of friction for mixed brush surface was observed during macroscale friction measurements using nanoindenter. Friction coefficients at macroscale were higher than those at the nanoscale. Moreover, adhesion and friction forces between the surfaces were significantly influenced by the humidity, grafting density of polymer brushes, chemical composition of top of the binary brush surface, and tip scan velocity. Nanowear studies were carried out with AFM using sharp silicon nitride tip while macrowear studies were carried out using nanoindenter. Nanowear on the surfaces was affected by molecular entanglements, adhesion and friction forces as well as shape and status of the tip. It was observed that the typical wear mode for PS brushes (treated with toluene) was ripple formation. In case of P2VP brushes (treated with ethanol) and PAA brushes (treated with pH 10 water), wear occurred via removal of the polymeric material. Wear mechanism observed for the monobrushes was similar to that observed for the spin-coated thick films of the same polymeric material. However, extent of the wear on the brush surfaces significantly differed from that on the spin-coated films. In case of PS+P2VP and PS+PAA binary brush samples, change in the wear mode was observed on treatment with the different selective solvents. On treatment with toluene (PS on the top), both of these binary brushes showed the wear by formation of the ripples. On the other hand, when these binary brushes were treated with selective solvent for P2VP or PAA, wear occurred mainly via removal of the polymeric material. The amount of wear increased with the number of scans for all the polymer brush samples. Moreover, wear on the polymer brush surfaces was also increased on increase in the applied load and decrease in the scan speed. Wear behavior on macroscale was averaged due to contact between surfaces at large number of asperities. Our results show that adhesion, friction, and wear of polymer surfaces can be controlled/tuned by the use of binary polymer brushes.

Le contrôle de la friction en régime limite s’effectue par le biais de lubrifiants qui, par l’adsorption de molécules sur les surfaces, réduisent les contacts directs entre aspérités. Dans ce contexte, l’objectif de cette thèse est de comprendre et de coupler les mécanismes, à la fois, d’adsorption et d’auto-organisation de différents acides gras sur des surfaces, et les mécanismes de friction interfaciale sous des conditions stationnaires et transitoires. L’effet de l’architecture moléculaire, modifiée par la présence et la conformation d’une insaturation dans la chaîne aliphatique des acides gras, a également été analysé. La caractérisation in-situ, à l’échelle moléculaire, a été réalisée avec le tribomètre moléculaire ATLAS développé au LTDS. Cet appareil permet des déplacements quasi-statiques et dynamiques, d’une sphère mise en regard d’un plan, suivant trois axes. Trois solutions d’acides gras, en faible concentration dans du dodécane, ont été analysées. Les déplacements et les forces, normaux et tangentiels, sont mesurés à l’aide de capteurs capacitifs d’une résolution respective de 0.015 nm et 10 nN. Des sollicitations dynamiques superposées permettent de caractériser simultanément la rhéologie de l’interface confinée en termes d’amortissement et de raideur, dans les deux directions. Les résultats montrent que les acides gras s’adsorbent par interaction physique sur les surfaces pour former des films visco-élastiques d’une épaisseur d’environ 15 Å sur chaque surface. Le taux de couverture et la cinétique d’adsorption de ces couches dépendent de l’architecture moléculaire des acides gras. Cette dernière gouverne également la friction interfaciale, qui a été qualifiée de supraglissement, et la rhéologie des monocouches auto-assemblées. Les différentes organisations de films conduisent ainsi à différentes évolutions de la friction en fonction de la vitesse de glissement et de la pression de contact. La réponse en friction transitoire et l’accommodation lors du glissement vers un nouvel état stationnaire ont de plus été décrites par des distances caractéristiques, de plusieurs nanomètres, reflétant le renouvellement statistique des spots de contact, et par des temps de relaxation, de l’ordre de la seconde, décrivant le réarrangement moléculaire au sein de l’interface. Enfin, une modélisation théorique de la friction limite a été proposée afin de comprendre l’origine moléculaire de la friction entre monocouches d’acides gras mettant ainsi en évidence le couplage fort de deux échelles spatiales et temporelles. / Friction in boundary lubrication can be controlled by the adsorption of molecules on surfaces that reduce direct contacts between asperities. In this context, the aim of this thesis is to understand and to couple the mechanisms of adsorption and self-organization of different fatty acids on surfaces, with the mechanisms of interfacial friction under steady-state regime and transient conditions. The effect of the molecular architecture, modified by the presence and conformation of one unsaturation in the aliphatic chain of fatty acids, was also analyzed. In-situ characterization, at the molecular level, was performed with the molecular tribometer ATLAS, developed at LTDS. This apparatus allows quasi-static and dynamic displacements, of a sphere in front of a plane in three directions. Three fatty acids solutions, in low concentration in dodecane, were analyzed. The displacements and the forces, normal and tangential, are measured using capacitive sensors with a resolution of 0.015 nm and 10 nN respectively. Dynamic superimposed measurements allow a simultaneous rheological characterization of the confined interface in terms of damping and stiffness in two directions. The results show that the fatty acids adsorb on the surfaces by weak interactions and form viscoelastic films with a thickness of about 15 Å on each surface. The coverage rate and adsorption kinetics of these layers depend on the molecular architecture of the fatty acids. This architecture also governs interfacial friction, which has been described as superlubricity, and the rheology of self-assembled monolayers. Various film organizations have thus led to different evolutions of the friction as a function of the sliding speed and the contact pressure. The transient friction response and its accommodation during slip to a new stationary state have also been described by characteristic distances of several nanometers, reflecting the statistic average renewal of the contact spots, and by relaxation times of the order of the second, describing the molecular rearrangement within the interface. Finally, theoretical modeling of boundary friction has been proposed to understand the molecular origin of the friction between monolayers of fatty acids and highlight the strong coupling between both spatial and temporal scales.

A l’échelle micro-nanométrique, la fiabilité et la durée de vie des microsystèmes (MEMS),généralement réalisés en silicium, sont fortement affectées par les effets de frottement, d’adhesion,d’usure... L’objectif de ce travail est d’étudier les mécanismes de frottement et d’usure sur deswafers de silicium. Le comportement micro-nanotribologique de monocouches auto-assemblées(SAMs) d’alkyltrichlorosilane, déposées sur des wafers de silicium de différentes orientationscristallographiques – i.e, Si(100), Si(111) et Si(110), a été étudié à l’aide d’un nanotribomètre. Lesparamètres modifiés au cours de l’étude sont les suivants : la longueur de la chaîne, les paramètrestribologiques (charge normale, vitesse de glissement, distance de glissement, taux d’humidité relativeet température du substrat) et les propriétés de surface du silicium (orientation cristallographique,topographie). Les résultats expérimentaux montrent que le comportement nanotribologique desmonocouches greffées sur des substrat polis est influencé par l’homogénéité du film et la fractiond’aire qu’il couvre. Ces deux paramètres étant contrôlés par le temps d’immersion et l’orientationcristallographique du substrat. La topographie du silicium a également été modifiée de manièreà créer des motifs périodiques (microstructure par DRIE). Le comportement tribologique de cessurfaces revêtues d’OTS est contrôlé par les variations des propriétés physico-chimiques dessurfaces et la fragilité de la microstructure. Pour s’affranchir des problèmes de fragilité, des motifsstructurés à l’échelle nanométrique sont réalisés par nano-impression. / At micro and nanoscale, fiability and durability of micromechanical devices (MEMS), usuallymanufactured of silicon, are strongly affected by the friction effects, adhesion, wear... The aim ofthis work is to study the mechanisms of friction and wear of silicon wafers. Micro/nanotribologicalstudy of self-assembled monolayers (SAMs) derived from n-alkyltrichlorosilanes deposited on siliconwafers displaying various crystallographic orientations – i.e, Si (100), Si (111) and Si (110) – hasbeen conducted using a nanotribometer (ball-on-disc). The parameters that have been varied are: the alkyl chain length, the tribological parameters (normal load, sliding velocity, sliding distance,relative humidity level and substrat’s temperature) and surface characteristics of the silicon substrates(crystallographic orientation, roughness). On smooth silicon substrats, experimental results show thatthe tribological behaviour of SAMs is control by the film’s homogeneity and the surface coverageof the monolayer in connection with the time immersion and the crystallographic orientation of thesubstrate. The topography of silicon was also modified by changing the microstructure by DRIE inorder to create periodic patterns. The tribological behavior of OTS SAM grafted on microstructuredsurfaces was controlled by the changes in physico-chemical properties and the fragility of thepatterns. To overcome the problems of fragility of these surfaces, patterns at the nanoscale areachieved by nanoimprint.

En microrobotique, la mesure de micro et nano force figure parmi les informations nécessaires pour caractériser les interactions mécaniques présentes à l'échelle micrométrique. Dans cette optique, nous avons développé un capteur de mesure micro et nano force reposant sur un principe de flottaison-magnétique. L'organe sensible du capteur est une plate-forme macroscopique rectangulaire sur laquelle s'appliquent les forces et couples à mesurer. La sustentation et le maintien de la plate-forme sont assurés par le biais de forces magnétiques et de la poussée d'Archimède appliquée à quatre flotteurs placés à ses coins. La plate-forme est conçue pour mesurer uniquement des forces dan le plan horizontal ainsi que le couple vertical associé. L'étendue de mesure des forces varie entre -100 et +100 micronN avec une résolution de l'ordre du nanoNewton. elle travaille en mode actif grâce à un asservissement autour de sa configuration d'équilibre (établie en absence d'efforts à mesurer). La nature des efforts de rappel utilisés pour la mise en oeuvre de l'asservissement est électromagnétique. Les modèles magnétique et électromagnétique développés permettent alors de déterminer les forces qui s'appliquent au centre de gravité de la plate-forme par le biais de la connaissance de la configuration spatiale de cette dernière et des courants dans les bobines de commande. En termes d'application, cette plate-forme peut être utilisée dans le cadre de la caractérisation des micro-objets déformables (micromécanismes, cellules, etc...) et des microsurfaces.

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Polymer brushes provide the responsive smart surfaces which can be used for fabrication of various devices. In this thesis work, adhesion, friction, and wear of polystyrene (PS) - poly(2-vinyl pyridine) (P2VP) and polystyrene - poly(acrylic acid) (PAA) binary brushes and corresponding monobrushes were investigated in dried state under controlled environment. Spin-coated films were also investigated for comparison. The aim was to explore possibilities to control/tune adhesion, friction, and wear between inorganic or polymeric surfaces by use of polymer brushes. Atomic force microscopy (AFM) with sharp silicon nitride tip and colloidal probes was employed to investigate the nanoscale adhesion and friction forces between different inorganic and polymeric surfaces. Adhesion and friction on the polymer brushes were comparable to that on the spin-coated films. Adhesion and friction force values were correlated, and were in accordance with the wettability of the brush surfaces for most of the samples. Switching in the adhesion and friction forces was observed for the PS+P2VP and PS+PAA binary brushes on treatment with selective solvents. Maximum switching in adhesion force and friction coefficient was by a factor of 2.7 and 5.4, respectively. Furthermore, switching of friction for mixed brush surface was observed during macroscale friction measurements using nanoindenter. Friction coefficients at macroscale were higher than those at the nanoscale. Moreover, adhesion and friction forces between the surfaces were significantly influenced by the humidity, grafting density of polymer brushes, chemical composition of top of the binary brush surface, and tip scan velocity. Nanowear studies were carried out with AFM using sharp silicon nitride tip while macrowear studies were carried out using nanoindenter. Nanowear on the surfaces was affected by molecular entanglements, adhesion and friction forces as well as shape and status of the tip. It was observed that the typical wear mode for PS brushes (treated with toluene) was ripple formation. In case of P2VP brushes (treated with ethanol) and PAA brushes (treated with pH 10 water), wear occurred via removal of the polymeric material. Wear mechanism observed for the monobrushes was similar to that observed for the spin-coated thick films of the same polymeric material. However, extent of the wear on the brush surfaces significantly differed from that on the spin-coated films. In case of PS+P2VP and PS+PAA binary brush samples, change in the wear mode was observed on treatment with the different selective solvents. On treatment with toluene (PS on the top), both of these binary brushes showed the wear by formation of the ripples. On the other hand, when these binary brushes were treated with selective solvent for P2VP or PAA, wear occurred mainly via removal of the polymeric material. The amount of wear increased with the number of scans for all the polymer brush samples. Moreover, wear on the polymer brush surfaces was also increased on increase in the applied load and decrease in the scan speed. Wear behavior on macroscale was averaged due to contact between surfaces at large number of asperities. Our results show that adhesion, friction, and wear of polymer surfaces can be controlled/tuned by the use of binary polymer brushes.

Vor dem Hintergrund zukünftiger Sensoren, basierend auf dem piezoresistiven Effekt von einwandigen Kohlenstoffnanoröhren (SWCNT), werden in dieser Arbeit umfangreiche Ergebnisse zum mechanischen Verhalten von Grenzflächen zwischen SWCNTs und edlen Metallen am Beispiel von Pd und Au präsentiert. Im Fokus steht dabei die Synergie von rechnerischen und experimentellen Methoden Molekulardynamik (MD), nanoskalige Tests und Analytik , um (1) mit guter Genauigkeit maximale Kräfte von gezogenen SWCNTs, welche in Metall eingebettet sind, vorauszuberechnen und (2) einen wertvollen Beitrag zum Verständnis der zu Grunde liegenden Fehlermechanismen zu liefern. Es wurde ein MDModell eines in eine einkristalline Matrix eingebetteten SWCNTs mit Randbedingen eines Auszugsversuchs entwickelt. Mit diesem Modell können Kraft-Weg-Beziehungen und Energieverläufe für einen quasistatischen verschiebungsgesteuerten Auszugsversuch errechnet werden. Das Modell liefert kritische Kräfte bei Versagen des Systems. Des Weiteren können mit diesem Modell der Einfluss des SWCNT-Typus, der Einbettungslänge, der Temperatur, von intrinsischen Defekten und Oberflächengruppen (SFGs) auf das Grenzflächenverhalten untersucht werden. Zum Vergleich wurden kritische Kräfte experimentell durch in situ Auszugsversuche in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt. Es wurde eine sehr gute Übereinstimmung von rechnerischen und experimentellen Daten festgestellt. Der vorherrschende Fehler im Experiment ist der SWCNT-Bruch, jedoch wurden auch einige SWCNT-Auszüge beobachtet. Mit Hilfe der MD-Simulationen wurde gefunden, dass die SFGs als kleine Anker in der umgebenden metallischen Matrix wirken und somit die maximalen Kräfte signifikant erhöhen. Diese Grenzflächenverstärkung kann Zugspannungen verursachen, die genügend hoch sind, so dass SWCNT-Bruch initiert wird. Im Gegensatz dazu zeigten Simulationen von Auszugstests mit idealen SWCNTs nur kleine Auszugskräfte, welche meistens unabhängig von der Einbettungslänge des SWCNTs sind. Dieses Verhalten wird mit einer inkommensurablen Konfiguration der Kristallstrukturen an der Grenzfläche von SWCNTs und der einbettenden Edelmetalle interpretiert. Zur Qualifizierung der Existenz von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material wurden analytische Untersuchungen mittels Fluoreszenzmarkierung von Oberflächengruppen durchgeführt. In Übereinstimmung mit Literaturstellen zum gesicherten Nachweis von SFGs, bedingt durch technologische Behandlungen, weisen diese Experimente stark auf das Vorhandensein von carboxylatischen Oberflächengruppen auf dem genutzten SWCNT-Material hin. Demnach kann der dominante SWCNT-Bruch Fehler durch die Grenzflächenverstärkung auf Grund von SFGs erklärt werden. / In the light of future sensors, that are based upon the piezoresistive effect of singlewalled carbon nanotubes (SWCNTs), this work presents comprehensive results of studies on the mechanical behavior of interfaces between SWCNTs and noble metals using the examples of Pd and Au. With this contribution, the focus is on a synergy between computational and experimental approaches involving molecular dynamics (MD) simulations, nanoscale testing, and analytics (1) to predict to a good degree of accuracy maximum forces of pulled SWCNTs embedded in a noble metal matrix and (2) to provide valuable input to understand the underlying mechanisms of failure. A MD model of a SWCNT embedded in a single crystalline matrix with pull-out test boundary conditions was developed. With this model, force-displacement relations and energy evolutions for a quasi-static displacement controlled test can be computed. The model provides critical forces for failure of the system. Furthermore, the influence of SWCNT type, embedding length, temperature, intrinsic defects and surface functional groups (SFGs) on the interface behavior can be studied using this model. For comparison, critical forces were experimentally determined by conducting pull-out tests in situ, inside a scanning electron microscope. A very good agreement of computational and experimental values was discovered. The dominant failure mode in the experiment was a SWCNT rupture, although several pull-out failures were also observed. From MD simulations, it was found that SFGs act as small anchors in the metal matrix and significantly enhance the maximum forces. This interface reinforcement can lead to tensile stresses sufficiently high to initiate SWCNT rupture. In contrast, pull-out test simulations of ideal SWCNTs show only small pull-out forces, which are mostly independent on SWCNT embedding length. This behavior is interpreted with an incommensurate configuration of crystal structures at the interface between SWCNTs and embedding noble metals. To qualify the existence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material, an analytical investigation by means of fluorescence labeling of surface species was performed. In agreement with literature reports on the secured verification of SFGs due to necessary technological treatments, these experiments strongly indicate the presence of carboxylic SFGs on the used SWCNT material. Thus, the dominant SWCNT rupture failure is explained with an interface reinforcement by SFGs.

L’objectif de cette thèse est le développement d’un nouveau capteur de forcemulti-axes destiné à mesurer les composantes de friction impliquées dans lecontact doigt/objet lors la micromanipulation dextre. Des études théoriques etdes simulations par éléments finis ont conduit à la conception de ce capteurMEMS piézorésistif composé d’une plate-forme centrale munie d’une microbille,entourée d’une table compliante. D’après les résultats de simulations, ce capteur estcapable de mesurer indépendamment les forces normales et de frottement (couplageréciproque inférieure à 1%) avec une bonne sensibilité. Différents runs de fabricationnous ont permis d’obtenir des dispositifs exploitables. La structure mécanique de cescapteurs a été validée par la mesure des fréquences de résonance qui sont en accordavec les résultats de simulation. Des premiers résultats expérimentaux en termesde mesure de force ont ensuite été obtenus grâce au développement d’un banc detest (structure robotique, actionneurs, caméras, etc.). Nous nous sommes égalementintéressés à la problématique de l’étalonnage des capteurs de micro et nanoforceà l’aide de ressorts magnétiques reliés à des masses mesurables. Nous avons, danscette optique, mis au point une stratégie d’estimation et de compensation passivedes perturbations mécaniques en utilisant un principe différentiel. Cette approchea été appliquée à un capteur de nanoforce basé sur la lévitation diamagnétique et aabouti à des résultats prometteurs : une résolution inférieure au nanonewton a puêtre obtenue. / Sensor enabling to characterize the finger/object contact involved in dexterousmicromanipulation. Theoretical studies and finite elements simulations have lead tothe conception of this piezoresistive MEMS sensor composed of a central platformwith a micro-ball and surrounded by a compliant table. According to the simulationresults, this sensor is able to independently measure the normal and friction forces(crosstalk less than 1 %) with a good sensitivity. Several runs of fabrication allowedus to obtain usable devices. The mechanical structure of such sensors has beenvalidated by the measurement of resonance frequencies that are consistent with thesimulation results. The first experimental results in terms of force measurement werethen obtained through the development of a test bench (robotic structure, actuators,cameras, etc.). We were also interested in the problem of calibration of micro andnanoforce sensors using magnetic springs connected to measurable masses. In thiscontext, we developed an estimation strategy and a passive rejection of mechanicaldisturbances using a differential principle. This approach was applied to a nanoforcesensor based on the diamagnetic levitation and yielded promising results: a resolutionlower the nanonewton level could be obtained.