Mesures de force d'adhésion à haute résolution – HiResAFM

Ce projet expérimental sur les forces d'adhésion propose une étude spécifique de deux cas très importants en pratique :
- les forces capillaires, résultant de la condensation d'un liquide depuis sa vapeur sous-saturée en géométrie confinée, présentent un intérêt considérable pour la physique tant fondamentale qu'appliquée. Sur le plan académique, la condensation capillaire est un thème de recherche actif lié à des questions majeures de physique statistique, comme la compétition entre les effets de taille finie et ceux de surface, le rôle du désordre, ou l'hystérésis et la nucléation lente liés à une transition de phase du premier ordre. Quant aux applications, c'est un phénomène clef en géologie, construction, industrie pétrolière, métallurgique, alimentaire, cosmétique, microélectronique...
- les forces de Van der Walls (VdW) sont incontournables dans la compréhension de la physique des objets à l'échelle nanométrique. Elles sont par exemple le mode d'interaction principal des nanotubes de carbone (CNT) avec leur environnement. Pour mettre en œuvre les étonnantes propriétés mécaniques ou électriques des CNT, la compréhension de cette interaction est incontournable. Le nombre croissant de leurs applications potentielles, ou leur utilisation générique comme banc d'essai des phénomènes physiques fondamentaux à l'échelle nano en font un choix pertinent pour l'étude des forces de VdW.

L'étude de l'adhésion dans ces deux cas présente donc un intérêt académique et pratique certain. Une mesure directe de la dépendance en distance de la force entre deux surfaces en interaction est a priori une méthode très puissante d'étude de ces forces attractives, donnant un accès direct au profil d'énergie potentielle et à des données quantitatives d'intérêt pratique. Toutefois, cette approche se heurte à une limitation intrinsèque des techniques de mesures de force de surface (typiquement machine à force de surface ou microscopie à force atomique – AFM), due à une instabilité mécanique dans le cas attractif : la raideur finie du capteur empêche l'accès aux séparations les plus faibles (et les plus intéressantes). Jusqu'ici très peu d'expériences, limitées à des cas particuliers, ont surmonté cette limitation, et ce projet répond à ce défi expérimental.

Nos expériences seront basées sur un AFM innovant, développé par L. Bellon au Laboratoire de Physique – ENS Lyon. Initialement conçu pour l'étude des fluctuations à l'échelle nanométrique, cet outil s'est révélé performant dans l'exploration de nouvelles idées vers les nanotechnologies et les mesures de force à haute résolution. La caractéristique principale de notre instrument est sa très grande précision de mesure de la déflexion du levier AFM, à 1E-14 m/rtHz. Cette sensibilité hors norme permet de surmonter la difficulté intrinsèque des mesures de forces attractives: des leviers bien plus raides permettent d'éviter l'instabilité sans sacrifier la résolution de mesure. La totalité de la courbe force-distance est ainsi accessible, et l'adhésion peut être caractérisée. S'appuyant également sur l'expertise de A. Steinberger dans les mesures fines de forces de surfaces, ce projet innovant ouvre un nouvel axe de recherche dans notre laboratoire.

Ce projet explorera deux axes principaux :
- Mesure de forces capillaires, sur des questions à la fois fondamentales et appliquées, comme l'influence du désordre sur les transitions de mouillage, les propriétés mécaniques des ponts capillaires des échelles nano à micro, la dynamique lente de nucléation et l'hystérésis associé.
- Adhésion de CNT, choisi comme archétype des nano-objets, sur des surfaces variées : le nanotube est greffé sur une pointe AFM et simplement poussé contre un substrat plan où il s'adsorbe partiellement par interaction de VdW. L'analyse de la courbe de force renseigne quantitativement sur le processus d'adhésion et sur le nanotube lui-même. Cette procédure sera étendue à d'autres nano-systèmes, tel que les nanofils.