CNRS - Dynamiques et Auto-organisation de Dépôts aux Interfaces Liquide–Solide : vers des surfaces fonctionnelles stables sous forts flux thermiques

Mots clés

Physico-chimie des surfaces et des interfaces, Science et ingénierie des matériaux et des surfaces, Ecoulements et transferts

Détail de l'offre

Lorsqu'une goutte contenant un soluté s'évapore sur une surface, elle laisse un dépôt caractéristique en anneau connu sous le nom d' « effet rond de café » (coffee-ring effect). Ce phénomène du quotidien, en apparence anodin, est le résultat de mécanismes physico-chimiques complexes, où évaporation, écoulements internes, transport et solidification de matière conduisent à une organisation spontanée de la matière au voisinage de la ligne triple, zone de contact entre solide, liquide et gaz. De nombreuses applications utilisent cet effet dans le domaine des matériaux fonctionnels (autoassemblage de particules solides, dépôts par impression à jet d'encre de conducteurs transparents, formation de motifs par auto-organisation, cristaux colloïdaux, quantum dots,…), des sciences biologiques (diagnostics médicaux comme l'analyse de sang, contrôle des aliments, surveillance des polluants environnementaux) ou du dégivrage et du refroidissement de surfaces par spray (échangeurs de chaleur, caloducs).
Particulièrement pour cette dernière application, les propriétés interfaciales des surfaces (mouillabilité, énergie de surface, rugosité) conditionnent l'efficacité des échanges de chaleur. Cependant, sous l'effet de sollicitations thermiques intenses et du contact répété avec les fluides, ces surfaces peuvent se dégrader, accumuler des dépôts solides et finalement perdre les propriétés pour lesquelles elles avaient été initialement conçues. Mieux comprendre les mécanismes à l'origine de cette altération constitue un enjeu majeur pour la durabilité des dispositifs soumis à de forts flux de chaleur répétés.
Ainsi, l'interface liquide-solide, et en particulier la ligne triple, ne peut plus être considérée comme un simple lieu de transfert. Elle devient une zone microscopique active, assimilable à un micro-réacteur, où les phénomènes de transports, les transformations physico-chimiques et les dynamiques interfaciales sont fortement couplés. En effet, à leur tour, les dépôts solides qui se forment dans cet espace rétroagissent sur les écoulements, les transferts thermiques et les propriétés de surface, accentuant leur évolution dans le temps.
L'objectif de la thèse est de comprendre comment ces dépôts se forment localement, s'organisent et influencent la durabilité des surfaces fonctionnelles. Il s'agira d'identifier progressivement les mécanismes en jeu depuis des situations quasi-stationnaires jusqu'à des régimes dynamiques et fortement hors équilibre, tels que l'impact rapide de gouttes (voir figure ci-dessous). En explorant ces phénomènes, le projet cherche à identifier les conditions permettant non seulement de contrôler la structuration locale de la matière, mais aussi de guider des mécanismes d'auto-organisation, ouvrant la voie à la conception de surfaces fonctionnelles durables et optimisées pour des applications extrêmes.