Couche diffuse électro-dynamique – EDDL

Les flux d'électrolytes à l'échelle nanométrique en géométrie confinée revêtent une importance primordiale pour la matière active, les dispositifs de stockage d'énergie, la récupération de l'énergie déchet, le dessalement, l'activation et la détection de signaux dans les systèmes micromécaniques. Les propriétés de surface sont prédominantes pour le comportement de l'écoulement et le transport ionique dans ces systèmes.

Les surfaces en contact avec les solutions électrolytiques sont le plus souvent chargées. Le couplage de la couche diffuse de contre-ions à un écoulement liquide est à l'origine de divers effets électrocinétiques et visco-électriques. Outre les applications classiques de l'électrophorèse capillaire allant de la microfluidique à l'analyse médicale, nous mentionnons l'assemblage de matériaux actifs par électro-osmose induite par la charge et le séquençage de l'ADN par électrophorèse par nano-pores.

D'autre part, le couplage électrohydrodynamique a été suggéré comme une approche alternative de la lubrification, qui ne repose pas sur la viscosité du fluide mais dépend des propriétés hors d’équilibre de la double couche électrique. En effet, l'advection de la couche diffuse se traduit par une contrainte électrique dynamique, qui peut dépasser de loin la répulsion électrostatique et induire une force normale sur une sphère se déplaçant le long d'une surface. Des couplages électro-hydro-mécaniques complexes ont été spécifiquement étudiés dans les liquides ioniques (IL) avec la prédiction théorique de la solidification sous champ électrique transversal et l'observation expérimentale de frottement quantifié sous confinement élevé.

Ces effets de couplage entre le transport ionique et l’écoulement sont intimement liés à la nature des surfaces et aux conditions aux limites électriques et hydrodynamiques imposées. Le Surface Force Apparatus (SFA) et le microscope à force atomique (AFM) ont montré leur capacité à sonder avec précision les propriétés électrostatiques des surfaces, telles que la charge et le potentiel de surface, en mesurant la force d’interaction à l’équilibre (propriété mécanique) entre des surfaces confinées. Ils ont également démontré leur pouvoir unique pour dévoiler l'hydrodynamique aux interfaces solide-liquide.

Le présent projet vise une étude approfondie, à la fois expérimentale et théorique, en mesurant les forces résolues dans le temps dans des EDL hors d'équilibre. Nous développerons des investigations expérimentales et théoriques afin d'extraire des mesures de force dynamiques une compréhension approfondie des couplages électro-mécaniques interfaciaux et de leur impact sur le transport de charges. Plus précisément, nous étudierons la réponse viscoélastique et électrodynamique induite par les doubles couches électriques, le développement et la caractérisation de surfaces à régulation de charge et la réponse dynamique de liquides ioniques.

Nous considérons deux situations génériques, une sphère se déplaçant dans une direction normale ou parallèle par rapport à une surface solide. Dans nos expériences, la géométrie plan-sphère est réalisée soit par une sphère colloïdale montée sur un AFM, soit par SFA. Nous allons nous appuyer sur la géométrie ouverte de nos expériences pour réaliser des surfaces à régulation de charge, en utilisant des électrodes enfouies capables de polariser des revêtements diélectriques minces.

Le profil de vitesse entre les deux surfaces provoque les ions mobiles dans la couche diffuse, ce qui génère un champ électrique parallèle aux surfaces. En fonction des conditions aux limites, cela améliore la résistance visqueuse de la sphère ou se traduit par une pression électrostatique disjointe supplémentaire. Dans la limite quasi statique, la couche diffuse est à peine modifiée par le pilotage externe, tandis qu'à haute fréquence, les ions mobiles ne suivent plus ce mouvement, ce qui entraîne des fonctions de réponse retard et viscoélastique ou complexe.