Ce travail de thèse s'articule autour de plusieurs variations sur le thème du rebond d'une goutte d'eau sur une surface non-mouillante. Nous engendrons des rebonds spéciaux que nous caractérisons expérimentalement. Notre analyse de ces rebonds se concentre sur la mise en évidence des paramètres et des phénomènes physiques contrôlant leur extension spatiale et temporelle, deux quantités qu'il est important de comprendre tant d'un point de vue fondamental qu'appliqué. Nous étudions, dans un premier temps, les effets de la géométrie du substrat sur le rebond d'une goutte d'eau. Nous montrons qu'une modification locale, l'ajout d'une macrotexture ponctuelle, crée un mécanisme de rebond nouveau que nous associons à une réduction du temps de contact d'un facteur 2. Nous réalisons également des impacts sur des substrats coniques et sphériques en mettant en avant les différences et les similitudes avec les impacts sur une surface plane. Dans un second temps, nous nous intéressons aux effets créés par un substrat mobile. Nous étudions l'impact de gouttes sur des surfaces déformables et comprenons comment l'échelle de temps du rebond est influencée par une interaction entre celle de la goutte et celle du substrat. Nous discutons aussi l'influence de la déformation du substrat sur le splash. Notre étude de l'influence du mouvement s'est poursuivie en utilisant des surfaces rigides auxquelles nous pouvons imposer un déplacement vertical. En soumettant des gouttes initialement au repos à un mouvement impulsionnel, nous engendrons de surprenantes cavités coniques dont nous modélisons la dynamique. Cette expérience permet de faire un constat étonnant, la faible adhésion des surfaces superhydrophobes est nécessaire à l'obtention des cavités. Nous réalisons des impacts sur une surface dont le déplacement peut-être déclenché au moment du contact entre le liquide et le solide à l’aide du signal provenant d’un capteur de force de type MEMS. Nous atteignons des temps de contact extrêmement réduits, de l’ordre de 20% de celui observé sur le même substrat sans mouvement. Enfin, nous modifions le liquide et non le substrat. Nous montrons que des gouttes jusqu'à 200 fois plus visqueuses que l'eau peuvent rebondir sur des matériaux superhydrophobes. / This thesis revolves around the ability of liquid drops to bounce off superhydrophobic materials. We generate special rebounds and characterize them experimentally.We focus on finding the relevant physical phenomena to describe the temporal and spatial extension of such events, both quantities being of importance from the fundamental and applied point of vue. First, we study the influence of the susbtrate geometry. We modify the surface locally, by introducing a singular macrotexture, and show that it leads to a new bouncing mechanism that shortens the contact time by a factor typically 2. We also modify the substrate at the size of the drop. We perform impacts on non wetting cones and spheres and compare them to what is observed on a flat surface. Then, we study the effect of substrate motion. We make impacts on soft materials that can be deformed by the drop. We show that this situation can lead to fast bouncing and interpret the contact time as the result of an interplay between the timescale of the drop and that of the substrate. We also discuss the influence of substrate deformation on splashing. We go deeper into the effect of substrate motion by using rigid materials which movement we can trigger. We evidence new liquid shapes, conical cavities, by submitting a drop, initially at rest, to a vertical impulse.Surprisingly, the low, but present, adhesion of superhydrophobic materials is the key ingredient needed to observe such shapes. We also work on the effect of motion at the onset of impact, by trigerring the substrate movement using the signal from a MEMS force sensor intregrated in the surface. This setup allow us to reach contact times that represent 20% of the contact time on an immobile substrate. Finally, we change perspective and modify the liquid instead of the solid. We show that viscous drops can bounce as long as their viscosity does not exceed 200 times that of water.

Si l’eau d’une rivière coule sous l’influence d’une petite pente, une goutte de pluie millimétrique s’accroche généralement à son substrat. Cette thèse considère les problèmes engendrés par cette adhésion liquide-solide à l’aune de l’application culinaire. Nous nous intéressons aux surfaces superhydrophobes dont la chimie et la rugosité rendent ces solides non-adhérents. Par ailleurs, le comportement de ces matériaux en température rend compte de différents domaines d’adhésion. Ces surfaces voient leur adhésion augmenter avec la température lorsque la vapeur se recondense au sein des textures du solide. Mais, à mesure que la température s’élève, des bulles de vapeur se forment et réduisent l’adhésion, jusqu’à l’annuler lorsque le liquide lévite sur un coussin continu de vapeur. Nous décrivons cet état, dit de caléfaction, et notamment l’origine de la température critique pour laquelle ce phénomène apparaît. La superhydrophobie permet de réduire considérablement cette température, dite de Leidenfrost, et de rendre accessible la caléfaction pour des températures typiques de cuisson. Enfin, nous comparons ces résultats aux stratégies de non-adhésion culinaire : à savoir les revêtements hydrophobes et l’utilisation d’huile. Des surfaces mixtes piégeant une fine couche d’huile dans des textures hydrophobes sont ainsi discutées. / Water flows inside a river due to extremely low slopes whereas a millimetric raindrop generally sticks on its substrate. This thesis investigates problematics induced by liquid-solid adhesion as regards the cooking device application. We study superhydrophobic substrate whose both chemistry and roughness promote anti-adhesion. We describe the anti-adhesive behaviour in temperature. First, because of condensation through the porous media, the adhesion rises with temperature before vapour bubbles nucleate below the drop. Then, the production of vapour generates a lack of contact. Thus, adhesion decreases until the liquid levitates on its own vapour. We describe this phenomenon known as the Leidenfrost effect. We especially discuss the critical Leidenfrost temperature and its origin. Superhydrophobic coatings promote Leidenfrost effect at remarkably low temperature close to cooking typical one. Finally, those results are compared to two strategies used in cooking: hydrophobic anti-adhesive coatings and lubrication by oil. Some lubricant-infused substrates are investigated.

Dans cette exposé, je présenterai quelques résultats théoriques et expérimentaux sur la dynamique des fluides classiques et quantiques. Dans une première partie, je présenterai un bref exposé sur la nucléation de gouttes de pluie en montrant le rôle de l'instabilité classique de Rayleigh Taylor dans la limitation de leur taille, et j'étudierai ensuite leur impact sur des surfaces non mouillantes. Je passerai ensuite aux gaz de fermions ultra-froids et nous verrons comment des expériences récentes ont permis de préciser le lien existant entre supraconductivité et condensation de Bose-Einstein.

Une surface est dite superhydrophobe si l’angle de contact d’une goutte d’eau avec cette surface est supérieur à 150°. Les domaines d’application de telles surfaces anti-adhérentes sont variées : du bâtiment avec l’élaboration de vitres anti-salissures au biomédical pour empêcher ou limiter l’adhésion bactérienne en passant par l’aéronautique. La superhydrophobie provient de la combinaison de deux paramètres : la structuration de la surface et la faible énergie de surface du matériau. Dans la plupart des références de la littérature, l’élaboration de telles surfaces s’effectue en plusieurs étapes. La polymérisation électrochimique de monomères conducteurs est une technique simple, rapide et reproductible pour obtenir des surfaces superhydrophobes. En effet, en une seule étape, le film de polymère se dépose et se structure. Cette méthode permet de contrôler les propriétés de mouillage en jouant sur les paramètres électrochimiques (charge de dépôt, substrat, sel électrolyte) ou sur la structure chimique du monomère. Ce travail porte sur l’élaboration et la caractérisation de films de polymères conducteurs obtenus par électrodéposition de dérivés du 3,4-éthylènedioxythiophene (EDOT), du 3,4-ethylènethiathiophene (EOTT) et du 3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) portant une chaîne hydrocarbonée de longueur variable. Des surfaces aux propriétés de mouillage polyvalentes (hydrophiles à superhydrophobes) ont été obtenues. De plus, l’influence de la part chimie et de la part physique sur l’angle de contact à l’eau a été déterminée pour les EDOT hydrocarbonés. Ce travail contribue à trouver une alternative aux composés fluorés. dans la domaine de la superhydrophobie. / Controlling wettability of a solid surface is important in many practical applications. This property, resulting from the combination a low surface energy material with a surface structuration, is commonly expressed by the contact angle of a water droplet on the surface. Surfaces with a water contact angle (θwater) larger than 150° are usually called superhydrophobic surfaces. Such surfaces are very interesting because of their expected self-cleaning or anti-contamination properties, which could be applied in various applications such as in biomedical devices, paint or in aeronautics for example. Among all the techniques to prepare superhydrophobic surfaces, electrochemical polymerization is a fast and versatile technique. In current literature on this field, the general approach is the use of highly fluorinated tails to reach the water-repellency. However, as observed in nature, fluorine is not necessary and can present environmental impacts. In this work, we focused on the synthesis of original monomers with hydrocarbon chain as hydrophobic part in order to find alternative to fluorine chemistry to prepare electropolymerized superhydrophobic surfaces. We succeeded to reach high water repellency (θwater > 150°) with hydrocarbon conducting polymers and we determined the influence of chemical and physical parts onto the water contact angle. We also found similar dewetting properties than the fluorinated series meaning the hydrocarbon conducting polymers could be a real alternative to fluorine chemistry.

Dans cette thèse, nous avons travaillé sur la mise au point de surfaces superhydrophobes modèles dont la mouillabilité peut être contrôlée par un stimulus externe. Composées de forêts de piliers micrométriques élastomères à forts rapports d'aspect dans lesquels sont incorporées des particules magnétiques, les surfaces présentent, via l'application d'un champ magnétique externe, une orientation modulable des piliers, donc une rugosité de surface adaptable. En faisant varier la géométrie, l'élasticité et l'aimantation de ces derniers, nous avons pu mettre en évidence les points suivants. Nous avons vu dans un premier temps qu’en accord avec la littérature, et en l’absence de champ magnétique, l’hystérèse de mouillage augmente avec la fraction de surface. Cependant, elle reste constante lorsque l’élasticité des piliers varie. Résultat déroutant, car à l’échelle du pilier, il existe bel et bien une différence de mobilité des piliers entre les piliers les plus rigides et les plus complaisants qui subissent la traction de la ligne triple.Nous avons ensuite montré que l’orientation des piliers changeait significativement l’angle de glissement via l’application d’un champ magnétique. De plus, le glissement de la goutte sur la surface est favorisé lorsque les piliers sont orientés à l’opposé de la pente. Enfin, nous avons pu contrôler la façon dont une goutte d’eau se déplace sur une surface inclinée en deçà de l’angle de glissement, puisqu’elle n’avance vers le bas de la surface que si une actuation magnétique est appliquée. Ces surfaces seront une source d’étude intéressante pour comprendre comment moduler le mouillage ou l’écoulement de liquide en état fakir. / During this thesis, we have developped superhydrophobic surfaces whose wettability can be controlled by an external magnetic stimulus. Formulating a network of elastomeric and magnetic micro-pillars with high aspect ratio allows the orientation of the pillars through magnetic forces, hence an adaptable surface roughness. Moreover, modulating the geometry, elasticity and magnetization of pillars allowed us to highlight the following conclusions.We have seen first that in agreement with the literature, without magnetic field, the wetting hysteresis increased with the surface fraction. However, it remains constant varying the elasticity of pillars. This conclusion is confusing, because at the pillar scale, there is indeed a difference of mobility between rigid and flexible pillars due to the force exerted by the triple line.We then demonstrated that the deflexion of the pillars can change significantly the sliding angle due to the applied magnetic field. Moreover, sliding of the droplet on such a surface is promoted when pillars are deflected against the slope.Finally, we managed to control the displacement of a droplet on a surface which is tilted with an angle below the sliding angle : it moves forward from the surface only if magnetic actuation is applied. This surfaces will be an attractive source of study in order to understand how to modulate wetting and liquid flow in fakir state.

Une surface hydrophobe peut être rendue hyperhydrophobe si on la rend rugueuse. Cet effet, que l'on appelle souvent l'effet "fakir", est dû au piégeage d'air dans la structure. Une goutte repose alors sur une surface composite faite de solide et d'air. Nous montrons cet effet sur des surfaces constituées de forêts de micropiliers que nous avons réalisées grâce à des techniques de microfabrication. La situation où la goutte repose sur le sommet des micropiliers n'est pas toujours la plus stable : le liquide peut préférer plutôt remplir la micro-texture. Nous avons étudié la transition de l'état "fakir" à l'état "planté" de différentes manières : par des expériences de presse, d'évaporation et d'impact. Nous avons également réalisé des surfaces à gradient de densité de plots et discuté la possibilité d'observer des mouvements spontanés de gouttes. Enfin, nous avons étudié l'imprégnation de liquides mouillants et en avons tiré des lois dynamiques de l'imprégnation à deux dimensions.

La microfluidique est une branche récente de la science et de la technologie. Ces quinze dernières années, son développement et son succès ont été principalement dus au concept de labo sur puce (lab-on-a-chip). Ces dispositifs miniaturisés, qu'intègrent plusieurs fonctions de laboratoire, ont été d'un grand intérêt dans différents domaines comme la Physique, la Chimique et la Bio-ingénierie. Lorsque un fluide est confiné dans une structure micro ounanométrique, son comportement est fortement influencé par les interactions avec les surfaces qui l'entourent. Dans ce contexte, la problématique du glissement du fluide sur le solide a été largement étudiée soit théoriquement, soit expérimentalement. Des nouvelles technologies, destinées à augmenter le glissement se sont déjà avérées être une méthode très efficace pour la réduction du frottement fluide/solide. Dans ce contexte, les surfaces superhydrophobes ont sucité l'intérêt de la communauté scientifique et technologique grâce au grand glissement à la paroi qui caractérise ces surfaces. Même si le comportement de ces surfaces a été largement étudié par différentes méthodologies théoriques et numériques, l'approche expérimentale est encore indispensable pour tester et comprendre les propriétés de ces surfaces. Cette thèse a commencé et s'est développée dans un projet plus large qui porte sur la mise en place d'une nouvelle technique pour l'analyse du glissement liquide/solide sur les surfaces superhydrophobes à travers les pièges optiques. Ce manuscrit développe les étapes du projet de recherche qui concernent différents domaines scientifiques comme l'optique, la microscopie, la science des surfaces, la microhydrodynamique, la microfludique et la microfabrication. Les recherches présentées dans cette thèse sont divisées par deux catégories: i) micromanipulation et microscopie holographique, ii) superhydrophobie. / Microfluidics is a very recent branch of science and technology. The development and the success, it has had in the last 15 years, is mainly due to the concept of lab-on-a-chip. Those miniaturized devices, integrating one or more laboratory functions, have aroused great interest among several research areas as physics, chemistry, biology and bioengineering. When a fluid is confined in a micro or nano scale structure, its behaviour is strongly affected by its interactions with the surrounding surfaces. In this context, the theme of fluid/solid slippage has been widely studied both theoretically and experimentally. Innovative technologies to enhance the surface slippage by specifically designing the solid interfaces have reportedly demonstrated to be an effective way to reduce the fluid/solid friction. To this end, superhydrophobic surfaces have increasingly attracted the interest of the scientific and technological community thanks to the large wall-slippage they present for liquid water. Though their behaviour has been extensively investigated through several theoretical and numerical methods, the experimental approaches are still indispensable to test and understand the properties of these surfaces. However, the lack of a general predicting model is also due to the fact that no one of the several existing experimental techniques has shown up as a very reliable one. Indeed, the reported measurements of slippage still depends on the specific adopted method, thwarting attempts to corroborate the proposed theoretical and numerical schemes. Therefore, it is evident that a more sensitive and effective experimental technique is still missing. This thesis began and developed inside the wider project of setting up an innovative technique to investigate the fluid-solid slippage on superhydrophobic surfaces by means of optical tweezers. Even though this project is still going on, this work reports the steps performed along the long way towards this main goal and it consists of a collection of several researches involving different scientific fields as optics, microscopy, surface science, microhydrodynamics, microfluidics and microfabrication. The researches presented in this work can be separated in two main categories: i) holographic micromanipulation and microscopy, ii) superhydrophobicity.

Les matériaux à faible énergie de surface (LSEMs) sont conçus pour différentes applications. Parmi celle-ci, les applications sur un support solide pour l’élaboration de surfaces superhydro/oléophobes ainsi qu’à l'interface de 2 milieux distincts pour la synthèse de nouveaux tensioactifs éco-responsables. Actuellement, ces matériaux sont constitués essentiellement de composés fluorés pour leurs propriétés uniques leur conférant à la fois l’hydro- et oléo-phobie ainsi que pour leur stabilité thermique et chimique dans des milieux corrosifs. Ce projet montre que l’élaboration des surfaces superhydro/oléophobes peut être réalisée sans utiliser nécessairement des chaînes perfluorées. Deux approches sont adoptées dans ce processus. La première stratégie est d'étudier l'influence de la longueur de la chaîne fluorée sur la structuration et la mouillabilité de la surface des dérivés du ProDOT. La seconde est d'explorer l'influence d'une chaine hydrocarbonée incorporée au coeur des monomères et d'étudier l'effet du type et de la longueur de ces chaînes sur les propriétés de surface. Dans le cadre de l'application des LSEMs sur les ‘matériaux mous’, deux études ont été réalisées : la première se focalisant sur l'effet de la longueur des chaînes hydrocarbonées sur les tensioactifs hybrides à courte chaine fluorée et la deuxième étudiant l'effet de la tête polaire. Deux séries de sulfates et bisulfates hybrides ont donc été synthétisées et leurs propriétés physico-chimiques étudiées. Ce travail a abouti à des résultats intéressants. / Two types of Low surface energy materials LSEMs can be recognized; those which are firstly applied on solid surfaces to elaborate superhydro/oleophobic surfaces that are micro and nano structured, and secondly at the water/air interface to synthesize new ecofriendly surfactants. LSEMs are essentially made from fluorinated compounds due to their unique properties of being both hydro and oleophobic as well as, their thermal and chemical stability in corrosive media. This project shows that the creation of superhydrophobic materials with high oleophobic properties does not necessarily require the utilization of long and bioaccumulative perfluorocarbon chains. Two approaches were adopted in this field. The first strategy was to develop ProDOT derivatives bearing short fluorinated chains to study the influence of the fluorinated chain length on the surface wettability. The proceeding part was to explore the effect of the introduction of a hydrocarbon tail and study the effect of their type and chain length on the surface properties. Another important aspect of this research involves the application of LSEMs on soft materials like surfactants as alternatives to toxic perfluorinated homologues. This study was done to explore the effect of the variant hydrocarbon chains with a short fluorinated tail of hybrid surfactants as well as the effect of the polar head. In this area, two families of hybrid sulfate and bisulfates were synthesized. Their physico-chemical properties were investigated and interesting results were obtained.

La contamination des matériaux par les bactéries est un processus naturel et spontané pouvant être à l’origine de graves infections. Actuellement, les techniques de lutte contre la biocontamination font appel à l’utilisation de matériaux biocides. Ces méthodes sont cependant sujettes à controverse puisqu’il a été mis en évidence qu’elles pouvaient être toxiques, que leur efficacité pouvait diminuer dans le temps et surtout qu’elles pouvaient participer à rendre les bactéries de plus en plus résistantes. La formation d’un biofilm impliquant l’adhésion des bactéries sur les surfaces, de nouvelles stratégies ont été développées par la conception de surfaces limitant leurs interactions avec les bactéries, telles que les surfaces anti-adhésives superhydrophobes. En effet, dans ce cas, l’adhésion est réduite par la présence d’une couche d’air entre les bactéries et la surface. Dans ce projet, deux matériaux ont été rendus superhydrophobes : un acier inoxydable 316 par électrodéposition de polymères hydrocarbonés ou fluorés dérivés du poly(3,4- éthylènedioxythiophène), et un PET par des traitements plasma successifs d’oxygène, de polypyrrole et de CF4. Le contrôle des paramètres expérimentaux ont permis d’obtenir des surfaces d’hydrophobie et de morphologie variables de façon à pouvoir étudier l’influence de ces propriétés physico-chimiques sur la bioadhésion et la formation de biofilm de trois souches bactériennes : P. aeruginosa, L. monocytogenes et S. aureus. Il a ainsi été mis en évidence, dans les conditions testées, l’importance de la présence de fonctions fluorées associée à une structuration contrôlée pour diminuer la biocontamination de surfaces. / Bacterial surface contamination is a natural and spontaneous process involved in serious infections. Currently, biocidal materials are used to avoid the biocontamination. However, these methods are not sufficient because of their toxicity, their loss of efficiency over time and mainly because they can make the bacteria more resistant.The biofilm formation involving the bacterial adhesion on surfaces, new strategies have been developed with the conception of surfaces reducing their interactions with bacteria, such as superhydrophobic surfaces. In fact, bacterial adhesion could be reduced by the presence of an air layer between superhydrophobic surface and bacteria. In this project, two substrates have been made superhydrophobic: 316 stainless steel by electrodeposition of hydrocarbon or fluorocarbon polymers, derived from poly(3,4- ethylenedioxythiophene), and PET by successive plasma treatments of oxygen, polypyrrole and CF4. The control of experimental parameters led to different water repellency and surface morphologies, and allows the study of the effect of these physico-chemical properties on the bioadhesion and the biofilm formation with three bacteria: P. aeruginosa, L. monocytogenes and S. aureus. Thus, it has been shown the important role of fluorinated chains and controlled surface structures to reduce the surface biocontamination.

Des revêtements sol-gel nanocomposites TiO2-SiO2 ont été réalisés à partir de mélanges d'une suspension nanocristalline de TiO2 anatase et de sols polymériques de silice. Ces revêtements présentent une superhydrophilie naturelle, persistante et photo-régénérable. La présence de charges localisées aux interfaces granulaires TiO2-SiO2 est une des hypothèses permettant d'expliquer cette superhydrophilie naturelle. Toutefois des effets de morphologie (rugosité, porosité de surface) sont également connus pour influencer le mouillage. Des études ont été menées pour mettre directement en évidence l'effet intrinsèque des interfaces granulaires. Les études se sont recentrées sur l'effet extrinsèque de paramètres morphologiques susceptibles d'influencer la mouillabilité des revêtements nanocomposites selon des modèles thermodynamiques des surfaces connus. De nouveaux protocoles de synthèse par voie sol-gel ont été mis au point afin d'analyser i/ en quoi la superhydrophilie naturelle et photo-induite des revêtements TiO2-SiO2 pouvait être influencée par des effets de morphologie et de composition, et ii/ en quoi une exacerbation de ces effets via des structurations artificielles pouvaient encore accroître la superhydrophile de surface. Une extrapolation de ces protocoles a également permis d'étudier des revêtements superhydrophobes.