La récupération du courant d'écoulement en tant que source d'énergie est une technologie ayant vu un regain d'intérêt depuis le début des années 2000. Le courant d'écoulement est récupéré en faisant passer un liquide dans des canaux microfluidiques ayant une taille de l'ordre de la dizaine de microns. Des travaux récents ont montré des réalisations générant des densités de puissance comparables à celles de méthodes de récupération d'énergie plus connues (piézoélectricité etc...), montrant que le courant d'écoulement peut être employé pour l'alimentation d'électronique de faible puissance. Cependant l'efficacité de transduction reste faible, de l'ordre de quelques pourcents. Une des pistes très prometteuses pour l'amélioration du rendement du phénomène est l'utilisation de surfaces superhydrophobes dans les micro- ou nanocanaux, avec un gain d'efficacité théorisé d'un ordre de grandeur, allant jusqu'à 37%. Cependant, à ce jour très peu de réalisations expérimentales existent sur ce sujet. Mon travail de thèse s'est inscrit directement dans cette problématique, avec l'étude expérimentale de l'influence d'une surface superhydrophobe constituée d'un tapis de nanofils de silicium dans la récupération du courant d'écoulement. J'ai ainsi réalisé plusieurs récupérateurs d'énergie avec des canaux hydrophiles, hydrophobes et superhydrophobes et j’ai effectué leur caractérisation électrique. En dépit de problèmes de répétabilité et de dégradation des surfaces, une amélioration de la puissance récupérée a été mesurée pour la surface superhydrophobe par rapport à une surface hydrophobe. / Since the beginning of the last decade streaming current has seen renewed interest as a type of renewable energy harvesting. The streaming current is a phenomenon arising when a fluid moves through a porous medium or microchannels, and can be harvested as an electric current and potential. Recent works have shown power densities comparable to other energy harvesting techniques such as piezoelectricity, which opens the way to streaming current as a mean of powering low-power electronics such as wireless sensor networks. However, harvesting efficiencies have yet to reach higher than a few percents. A promising possibility is the use of superhydrophobic surfaces inside the microchannels, with theory predicting efficiencies nearing 40%. However, as of today very little experimental data is available to confirm or infirm this theory. My PhD work aimed at increasing the experimental data on whether energy harvesting streaming current through superhydrophobic microchannels increases the power generated. I have designed and fabricated several microfluidic energy harvesters with microchannel hydrophilic, hydrophobic or superhydrophobic surfaces, and characterized their electrical properties. Despite reproducibility issues and surface degradation, a net gain in power output has been recorded for superhydrophobic surfaces.

Il a été montré que l’addition de fluor en petite quantité sur la surface de nanotubes de carbone mono et multiparois engendre des radicaux à long temps de vie, caractérisés ici par RPE. Ce phénomène a pu être mis à profit pour initier la polymérisation du styrène, de l’acide acrylique ou encore de l’aniline. Les chaînes polymères formées apparaissent alors greffées à la surface des tubes. Il a été observé qu’un tel greffage facilite grandement la mise en suspension des nanotubes dans des solvants organiques. Ce travail s’est également attaché à exalter la complémentarité entre nouveaux matériaux fluorés et techniques avancées de mise en œuvre. Pour la première fois, l’incorporation de nanocarbones fluorés de différentes dimensionnalités (noirs de carbone, nanotubes, nanofibres, nanodisques) dans une matrice polymère électrofilée de polyvinylpyrrolidone a été réalisée. Les tissus nanocomposites microfibreux ainsi obtenus ont ensuite fait l’objet de traitements de re-fluoration en conditions douces, afin d’augmenter leur taux de fluor final et d’en modifier la texture. Les caractérisations par microscopie à balayage, RMN du solide et XPS ont permis d’établir que l’enrichissement en fluor de la matrice polymère et la structure multi échelle spectaculaire résultant du traitement de post-fluoration réalisé permettent d’induire la propriété de superhydrophobicité, mise en évidence par la mesure d’angles de contact avec l’eau supérieurs à 150°. / It has been shown that the addition of a small amount of fluorine to the surface of single and multi-walled carbon nanotubes generates long life-time radicals, here studied by EPR. The latter phenomenon can be usefully harnessed to initiate the polymerization of styrene, acrylic acid or still aniline. The polymeric chains thus formed appear to be grafted to the tubes surface. It has been observed that such a grafting process highly increases the dispersibility of tubes in some organic solvents. This work also focused on illustrating how advanced processing techniques may complement the assets of novel fluorinated materials. Hence, the inclusion of fluorinated nanocarbons with varied dimensionalities (carbon black, nanotubes, nanofibers, nanodisks) into an electrospun polyvinylpyrrolidone polymer matrix has been achieved for the first time. The nanocomposite-based microfibrous membranes thus obtained have been reacted with gaseous fluorine in mild conditions, in order to increase their final fluorine content and modify their texture. Characterizations performed using scanning electron microscopy, solid state NMR and XPS have shown that both the fluorination of the polymer matrix and quite spectacular multiscale structure resulting from etching by fluorine induce superhydrophobicity, evidenced through contact angles of the membranes with water exceeding 150°.

​ Nombreuses stratégies de contrôle ont été récemment proposées par la communauté scientifique afin depouvoir réduire la traînée dans les écoulements pariétaux. Entre autres, les Surfaces Superhydrophobes (SHS) ontmontré leurs capacités de pouvoir réduire considérablement le frottement pariétal d’un écoulement liquide grâce à laprésence de microbulles de gaz piégées dans les nano-rugosités de la surface. Dans des conditions géométrique etthermodynamique données pour lesquelles la transition de mouillage est évitée (condition pour laquelle normalementla taille des rugosités qui caractérise la SHS est de plusieurs ordres de grandeur plus petite que l'échellecaractéristique de l'écoulement principal), on peut atteindre ce qu’on appelle ‘l'effet Lotus’, pour lequel l'écoulementglisse à la paroi, avec une vitesse différente de zéro.. Dans ce cadre, nous nous sommes proposés d’étudier, à l’aidede simulations numériques l’influence des SHS sur la transition laminaire-turbulent dans un écoulement de canal.Pour cela, nous avons réalisé une série de simulations numériques directes (DNS), allant de l'état laminaire au casturbulent pleinement développé, en traitant la plupart de scénarios de transition connu en littérature. Des analyses destabilité locale et globale ont aussi été réalisées afin de déterminer l’influence de ces surfaces sur la première phasedu processus de transition. Bien que la procédure de déclenchement de la transition contrôlée (type K, H, C,...) soitbien décrite dans la littérature, cela n’est pas le cas pour les transitions naturelles. À cette fin, une nouvelle méthode aété développée pour déclencher puis étudier la transition naturelle dans des écoulements de type canal. Cette méthodeest basée sur des mécanismes de réceptivité de l'écoulement (resolvent global) permettant de construire un forçagevolumique spécifique. Plusieurs approches pour modéliser les SHS ont été utilisées, de complexités croissantes, touten tenant en compte des caractéristiques physiques de ces surfaces. Dans un premier temps, une condition deglissement homogène a été utilisée et son influence analysée. Chaque rugosité a été ensuite discrétisée spatialement,d’abord avec une alternance de condition limite sur une surface plate, ensuite en tenant compte de la dynamique del’interface gaz-liquide par une méthode Lagrangienne-Eulerienne Arbitraire (ALE). Nous avons montré que les SHSpermettent d’efficacement retarder les transitions contrôlées mais qu’en revanche elles ont peu d’influence sur lestransitions naturelles (développant des stries de vitesse). En effet, ce comportement dérive de l'équilibre entre deuxeffets contradictoires. D’un côté, le glissement pariétal nuit au développement des structures cohérentes de typehairpin ​ , en altérant le processus de ​ vortex stretching-tilting ​ . D’autre part, le mouvement de l’interface gaz-liquideinteragit avec les structures cohérentes de l'écoulement, en produisant des vitesses normales à la paroi favorisantdavantage le processus de ​ sweep-ejection et entraînant le développement de structures en forme d’arche. Nous avonsmontré que les interfaces gaz-liquide statiques retardent la transition de façon analogue à une condition aux limiteshomogène (si l’hétérogénéité pariétale est petite). En revanche la prise en compte de leur dynamique limite le retardde la transition, montrant l’importance du modèle de SHS dans les écoulements transitionnels. / Many passive control strategies have been recently proposed for reducing drag in wall-bounded shearflows. Among them, underwater SuperHydrophobic Surfaces (SHS) have proven to be capable of dramaticallyreducing the skin friction of a liquid flowing on top of them, due to the presence of gas bubbles trapped within thesurface nano-sculptures. In specific geometrical and thermodynamical conditions for which wetting transition isavoided (in particular, when the roughness elements characterizing the SHS are several orders of magnitude smallerthan the overlying flow), the so-called ’Lotus effect’ is achieved, for which the flow appears to slip on the surfacewith a non zero velocity. In this framework, we propose to study, by means of numerical simulations, the influence ofSHS on laminar-turbulent transition in a channel flow. To do so we have performed a series of direct numericalsimulations (DNS), from the laminar to the fully turbulent state, covering the majority of transition scenarios knownin the literature, as well as local and global stability analysis so to determine the influence of SHS onto the initialstages of the process. While the conditions for observing controlled K-type transition in a temporal channel flow arewell defined, this is not the case for uncontrolled ones. To this end, a novel theoretical numerical framework has beendeveloped so to enable the observation of natural transition in wall-bounded flows. This method, similarly to theFree-Stream-Turbulence framework available for the boundary layer flow, is capable of triggering uncontrolledtransition t​ hrough flow receptivity to a purpose-built forcing. Different surface modellings for the superhydrophobicsurfaces are tested. First, homogeneous slip conditions are used. Then, the spatial heterogeneity of the SHS has beenconsidered by modelling it as a flat surface with alternating slip no-slip boundary conditions. Finally, the dynamics ofeach microscopic liquid-gas free-surface has been taken into account by means of a fully coupled fluid-structuresolver, using an Arbitrary Lagrangian Eulerian formulation. We show that while SHS are ineffective in controllingtransition in noisy environment​ , they can strongly delay transition to turbulence for the K-type scenario​ . Thisbehaviour results from the balance of two opposing effects. On one hand slippery surfaces inhibit the development ofcharacteristic hairpin vortices by altering the vortex stretching-tilting process. On the other hand, the movement ofthe gas-liquid free-surfaces interacts with the overlying coherent structures, producing wall-normal velocities thatenhance the sweep-ejection process, leading to a rapid formation of hairpin-like head vortices. Thus, whenconsidering flat interfaces transition time is strongly increased, while taking into account the interface dynamicsinduces smaller changes with respect to the no-slip case, indicating the need for an appropriate modelling of SHS fortransition delay purposes.

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne l'étude de la réactivité de surface par mesures d'angles de contact. D'un point de vue fondamental, la description des phénomènes de mouillabilité repose essentiellement sur la compréhension de la nature des interactions entre une surface et un liquide. Nous nous sommes plus particulièrement intéressés à l'élaboration de surfaces texturées rugueuses. La rugosité étant un paramètre clé qui amplifie la mouillabilité d'une surface. Dans la première partie, nous avons préparé des polymères formés d'un mélange de polychlorure de vinyle et d'acide laurique. Puis, ces films sont rendus rugueux en y incorporant des billes d'aérosil. Dans les deux cas, nous avons déterminé la valeur de la constante d'acidité et cela à partir d'un modèle thermodynamique simple. Mais, l'inconvénient de ce type de surface réside dans le fait qu'il n'est pas aisé d'en modifier la morphologie ni de la contrôler. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à des matériaux dont la rugosité peut être facilement contrôlée. Pour cela, nous avons choisi l'oxyde de zinc (ZnO). Nous avons opté pour l'électrodépôt comme voie de synthèse. Différentes morphologies de ZnO sont obtenues comme les nanocolonnes et les nanotiges. La mouillabilité de ces films est facilement modifiable en adoptant la voie ascendante et cela en fixant des molécules organiques telles que l'octadécylsilane ou des acides gras. Des mesures d'angles de contact ont été effectuées sur ces couches auto-assemblées et interprétées en fonction de la molécule choisie. Nous avons ainsi réussi à préparer des surfaces superhydrophobes en fonctionnalisant les nanotiges par l'acide stéarique, un angle de contact de 176° est atteint, cette valeur est la plus élevée jamais rapportée sur de l'oxyde de zinc. L'étude a été étendue sur d'autres molécules notamment à caractère redox contenant un dérivé du ferrocène. Les films de ZnO modifiés sont caractérisés par électrochimie et électromouillage. Cette étude ouvre la porte à de nouvelles applications du ZnO notamment dans le domaine des capteurs électrochimiques et/ou biologiques.

Ce projet de thèse entre dans le cadre de nombreux développements réalisés au sein du département Advanced Materials and Structure (AMS) du Centre de Recherche Public Henri Tudor (CRP-HT) dédiés aux activités "Surfaces & Interfaces" et consiste à développer une technique de dépôt innovante basée sur l'association de différents lasers (Nd : YAG et Excimère) et d'un système de pulvérisation cathodique magnétron dans le but d'élaborer des surfaces superhydrophobes. L'association des techniques permet de contrôler la microstructure de plusieurs substrats par ablation laser et de déposer simultanément un polymère plasma fluoré par pulvérisation magnétron à partir d'une cible PTFE. Par le biais de cette association, il est possible d'obtenir non seulement des propriétés superhydrophobes sur un grand nombre de substrats mais également de contrôler précisément les régimes de mouillages. / In this work, the development consisted in combining magnetron sputtering with a Nd-YAG or excimer lasers to provide additional properties to the deposited plasma polymer films. These both techniques are totally complementary, according to technical requirements, and provide an enhancement in the control of surface / interface chemical composition and structure leading to advanced properties. The innovative deposition technique developed in our laboratory, based on Laser-Assisted Magnetron Sputtering (LAMS), evidenced novel possibilities. lndeed, we especially highlighted the opportunity to control various polymer substrates patterning simultaneously to the plasma polymer deposition process. One of the most interesting results concerns the achievement of superhydrophobic properties on various polymer substrates with a high control in the wetting regime.