Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en oeuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élasto-hydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600~nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide.

Ce travail a pour objectif d'étudier, de manière expérimentale et numérique, la condition<br />limite hydrodynamique pour les écoulements de liquides simples en présence d'une paroi<br />solide.<br />Dans une première partie nous avons étudié ce problème pour différents systèmes, à<br />l'aide d'une machine à forces de surfaces dynamique. Nous avons mis en évidence que l'état<br />des surfaces et la nature de l'interaction solide-liquide sont des paramètres déterminants<br />pour la condition limite hydrodynamique. Nous n'obtenons du glissement que dans le cas de<br />liquides non mouillants. Pour un fluide confiné entre des surfaces hydrophobes lisses, nous<br />montrons que l'écoulement est très bien décrit par une condition limite de glissement dont<br />la longueur caractéristique est indépendante du confinement et du taux de cisaillement.<br />Dans une deuxième partie nous nous sommes intéressés à étudier, par des simulations de<br />dynamique moléculaire, l'effet conjugué de la rugosité et de la mouillabilité sur la condition<br />limite. Nous avons montré que selon la pression et la forme de la rugosité, la présence<br />de cette dernière peut augmenter fortement le glissement ou au contraire le diminuer.<br />Enfin nous avons étudié l'influence

Ce travail étudie l'influence des propriétés de surface sur l'écoulement limite de liquides<br />simples aux parois solides, à l'aide d'expériences de nanorhéologie réalisées avec<br />une machine à forces de surfaces dynamique. Nous mettons d'abord en évidence l'influence<br />du mouillage sur la condition limite hydrodynamique intrinsèque s'appliquant sur<br />des surfaces lisses à l'échelle nanométrique. Nous montrons en revanche que le glissement<br />interfacial ne dépend pas de la viscosité du liquide. Nous étudions ensuite l'écoulement<br />limite et la friction sur des interfaces complexes d'intérêt biologique solide/bicouche de<br />phospholipides/eau. Enfin nous étudions l'écoulement de mélanges eau-glycérol sur des<br />surfaces texturées et superhydrophobes. Nous mesurons à distance les propriétés élastiques<br />de ces surfaces dues aux poches de gaz piégées. Nous montrons que contrairement<br />à une idée répandue, ces poches de gaz ne sont pas toujours lubrifiantes et peuvent<br />augmenter significativement la friction interfaciale.

La structuration des liquides près d'interfaces est liée aux forces d'interactions liquides/interface à des distances de quelques dimensions moléculaires. Cet effet universel joue un rôle primordial dans divers domaines tels que le transport de chaleur, le transport de particules à travers les membranes biologiques, la nanofluidique, la microbiologie et la nanorhéologie.Le but principal de cette thèse est de réaliser l'échographie par laser de liquides nanostructurés près d'une interface, afin de mieux comprendre les propriétés physiques de liquides confinés à des échelles moléculaires. La méthode utilisée est la technique d'acoustique picoseconde, qui est une technique tout optique impliquant des lasers impulsionnels pour la génération et la détection d'ultrasons picosecondes. Nous avons adapté la technique pour étudier les propriétés acoustiques longitudinales à haute fréquence des liquides ultra-minces. Les résultats de la diffusion de Brillouin dans le domaine temporel sont utilisés pour déterminer le profil de distribution de la température dans le volume de liquide étudié qui peut être extrapolé aux dimensions nanométriques. Les résultats sur le changement de la fréquence de Brillouin aussi bien que sur l’atténuation acoustique en fonction de la puissance du laser donnent un aperçu de la relation entre les propriétés thermiques et mécaniques des liquides. L'analyse de Fourier des résultats pour différentes épaisseurs de liquide donnent l'information sur la vitesse du son et de l’atténuation aux fréquences GHz. Ce nouveau schéma expérimental est une première étape vers la compréhension des liquides confinés mesuré par l'échographie d'ultrasons aux fréquences GHz. / The phenomenon of liquid structuring near interfaces is related to the liquid/interface interaction forces at distances of some molecular dimensions. Despite the fact that this universal structuring effect plays a key role in various fields such as heat transport, particle transport through biological membranes, nanofluidics, microbiology and nanorheology, the experimental investigation of liquid structuring remainschallenging.The aim of this PhD thesis is the experimental study of the structuring/ordering of liquids at nanoscale distances from their interfaces with solids. In this context, we have adapted the experimental technique of picosecond laser ultrasonics to investigate high-frequency longitudinal acoustic properties of ultrathin liquids confined between solid surfaces of different types. At first, we will present results of time-domain Brillouin scattering (TDBS) used to determine the temperature distribution profile in the investigated liquid volume which can be extrapolated to nanometer dimensions. Results for the evolution of the extracted Brillouin scattering frequencies and attenuation rates recorded at different laser powers give insight to the intrinsic relationship between thermal and mechanical properties of liquids. Second, we will describe our results for the measurements of mechanical properties of ultrathin liquids with a nanometric resolution. Fourier analysis of the recorded TDBS signals for different liquid thicknesses yield the value of the longitudinal speed of sound and attenuation at GHz frequencies. This novel TDBS experimental scheme is a first step towards the understanding of confined liquids measured by GHz ultrasonic probing.

Ce travail étudie comment la mesure des forces hydrodynamiques exercées par un liquide confiné entre une sphère et une surface d'intérêt permet de sonder à distance et sans contact les propriétés mécaniques de cette surface. Nous présentons tout d'abord le principe de cette technique originale de sonde fluide et la machine à forces de surface dynamique que nous utilisons pour mettre en œuvre ces expériences de nano-rhéologie. Puis nous nous intéressons à deux applications que nous avons plus particulièrement étudiées. D'une part, l'étude des propriétés de friction des bicouches lipidiques. Nous mettons en évidence une très faible friction mesurée sur certaines bicouches fluides et son potentiel rôle pour la bio-lubrification. D'autre part l'étude des propriétés élastiques de couche mince d'élastomère. Nous développons pour cela une théorie de l'élastohydrodynamique à géométrie sphère-plan en mode dynamique et présentons des résultats expérimentaux en très bon accord. Nous sommes capables de mesurer le module d'Young de films mince de PDMS d'épaisseur allant jusqu'à 600 nm. Enfin, nous présentons les développements instrumentaux réalisés pour optimiser les performances de la machine à forces de surfaces comme sonde fluide / This work addresses how the measurement of hydrodynamic forces of a liquid confined between a sphere and a surface of interest can lead to probe at a distance and without contact her mechanical properties. Firstly, we introduce this original technique of fluid probe and the dynamic Surface Force Apparatus used to perform these nanorheology experiments. Then, we present two applications for which the fluid probe can be of great importance. The first application is the study of friction properties of lipid bilayers. More particularly we measure very weak fluid friction coefficients on some fluid bilayers, which can be an important issue for biolubrication. The second application is the study of elastic properties of thin elastomer layers. For that we first develop an elasto-hydrodynamic theory for sphere-plan configuration in dynamic mode. Then, we present experimental results in very good agreement with this theory. We are able to measure the Young modulus of thin PDMS films of thickness as small as 600 nm. Finally, we present instrumental developments performed on the Surface Force Apparatus to optimize its potential as fluid probe

Lorsque deux solides séparés par un liquide se rapprochent, le drainage s’accompagne de forces visqueuses normales aux parois. Si elles sont très rapprochées, de l’ordre de quelques nanomètres, les parois sont indentées par ces forces : c’est le "confinement élastique". Indenter un solide par un liquide permet de supprimer l’adhésion, qui limite la résolution en termes de module d’Young des tests classiques d’indentation par un solide, surtout pour les films supportés minces et mous, par exemple des élastomères d’épaisseur micrométrique. Or leurs propriétés, qui peuvent sensiblement différer des propriétés en volume, sont essentielles dans des domaines aussi variés que la microfluidique, l’électronique ou l’usure mécanique. Nous présentons les calculs qui relient les forces normales aux propriétés mécaniques du liquide et des parois lors d’un confinement élastique. Les résultats sont comparés à des expériences de nanorhéologie réalisées sur une machine à forces de surface très sensible. Cette sensibilité nous permet de montrer que l’effet du confinement élastique se manifeste même sans film mou déposé : cela implique que la rhéologie apparente d’un liquide confiné est toujours affectée par les déformations des parois, même très rigides.Nous montrons enfin que nous pouvons effectivement mesurer avec précision des modules d’Young autour du MPa dans des films d’élastomères de quelques centaines de nanomètres à quelques micromètres d’épaisseur. Si le module de stockage ne varie presque pas avec l’épaisseur, un module de pertes apparaît, augmentant sensiblement lorsque l’épaisseur diminue, témoignant d’une visco-élasticité que nous attribuons à la présence d’une couche interfaciale. / When two solids separated by a liquid layer are moving towards each other, the resulting drainage is associated with viscous forces normal to the walls. If these are very close to each other (several nanometers), they are indented by these forces : this is the notion of “elastic confinement”. Indenting a solid by a liquid solves the problem of adhesion, which limits the ability of classical indentationtests to provide accurate measurements on Young’s modulii. Adhesion is especially problematic for soft thin films, for example micrometric layers of elastomers, which mechanical properties can strongly differ from the bulk, but are of the highest importance in various fields such as microfluidics, electronics or mechanical wear. We present here the calculations which link the solid and liquid mechanical properties to the resulting forces in a liquid indentation test. The corresponding results are compared to nanorheology experiments using a very sensitive Surface Force Apparatus. Its sensitivity enables us to show that the elastic confinement is also measurable without any soft films, which implies that a confined liquid apparent rheology is always affected bythe deformations of even very rigid confining walls. Finally, we demonstrate that we are indeed able to measure precisely Young’s modulii in the MPa range for films as thin as several hundreds of nanometers. While the storage modulii are found to be almost independent ofthe film thicknesses, we identify the presence of loss modulii increasing with decreasing thicknesses. We attribute this unexpected viscoelastic behaviour to the presence of an interfacial layer.