Physique Des Surfaces Et Des Interfaces

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    10-Jun-2015

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Physique des Surfaces et des InterfacesJosselin MOUETTE, dapr`s le cours dElisabeth CHARLAIX e 4 mai 2002

Table des mati`res e1 Introduction A Proprits spciques des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ee e B Les domaines o` ltude des surfaces est importante . . . . . . . . . . . . . u e 3 3 4

Partie I

Thorie classique de la capillarit e e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

78 . 8 . 9 . 10 . 12 15 15 16 17 21 21 22 23 25

2 La tension de surface A Introduction . . . . . . . B Grandeurs dexc`s . . . e C Contraintes interfaciales D Entropie interfaciale . . 3 Loi A B C

de Laplace de la capillarit e Expression de la loi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Surface dnergie minimale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e Fluctuations thermiques dune surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 Applications A Contact de 3 phases . . B Le mouillage . . . . . . C Lascension capillaire . . D Condensation capillaire

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Partie II

Surfaces ` lchelle collo a e dale Adhsion et lms minces e. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2728 28 29 30 31 31 32 35 35 36 37 38

5 Interactions de surface A Expression gnrale des forces surfaciques e e B Cas des forces de Van der Waals . . . . . C Cas dun milieu matriel . . . . . . . . . . e D Les forces de Van der Waals retardes . . e E Energie de surface et nergie dadhsion . e e F Mesures de forces de surface . . . . . . . . 6 Les A B C D2

lms liquides minces Pression de disjonction . . . . . Films de Rollin . . . . . . . . . Force exerce par un lm mince e Applications . . . . . . . . . . .

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` TABLE DES MATIERES

7 Stabilit des phases de prmouillage e e 41 A Stabilit des lms minces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 e B Eets de nuclation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 e

Partie III

Les surfaces solides

47

8 Proprits des surfaces solides parfaites e e 48 A Mthodes danalyse chimique des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 e B Structure cristalline de surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 C Proprits lectroniques des surfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 ee e 9 Tension supercielle des surfaces solides A Surfaces cristallines : facettes et terrasses . . B Loi de Laplace ` lquilibre thermodynamique a e C Forme dquilibre des cristaux . . . . . . . . . e D Instabilit dHerring . . . . . . . . . . . . . . e E Fusion de surface . . . . . . . . . . . . . . . . 55 55 56 57 59 59

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10 Rugosit des surfaces e 61 A Le frottement solide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 B Hystrsis de mouillage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 ee Index 70

3

Chapitre 1

IntroductionHabituellement, on appelle surface une zone sparant deux phases, pouvant tre constie e tues dun mme corps, ou de deux corps dirents. e e e Cependant, il arrive que lon direncie les surfaces sparant une phase condense e e e (liquide ou solide) de sa propre vapeur, et les interfaces, pouvant se situer entre deux phases condenses, ou entre une phase condense et une vapeur. e e Dans ce cours, nous allons tudier les proprits de ces surfaces et interfaces, en les e ee dnommant indiremment surfaces. e e

A1

Proprits spciques des surfaces e e eLnergie supercielle e

` A lintrieur dune phase condense, les interactions entre atomes ou molcules sont e e e a ` courte porte. Ainsi, un atome plac ` lintrieur dune phase interagit avec tous ses e e a e voisins, avec une nergie de cohsion u < 0. Mais les atomes placs au voisinage de la e e e surface, eux, ne vont pas interagir de la mme mani`re avec les atomes situs de lautre e e e ct de la surface, et se situent donc ` un tat dnergie dirente. oe a e e e Explicitons ceci sur un exemple simple : L Considrons ce cube, constitu de N3 atomes cubiques, avec N = . e e L a On modlise les interactions par une nergie de cohsion de paire e e e < 0 entre deux atomes dont les faces se touchent. Lnergie totale du e syst`me est : ea

E = 3N2 (N 1) = 3 = 3 V 2S 3 a 2a

L3 L2 3 2 a3 a

(1.1) (1.2)

On a donc un terme de volume, ngatif, assorti dun terme de surface dnergie positive. e e Nous verrons plus tard pourquoi cette nergie est appele tension de surface. e e

2

Reconstruction de surface

An de minimiser lnergie de surface, et de limiter le nombre de liaisons pendantes, e les atomes ou les molcules sassemblent dune mani`re dirente de lintrieur du cristal. e e e e On appelle ce phnom`ne la reconstruction. e e4

` B. LES DOMAINES OU LETUDE DES SURFACES EST IMPORTANTE

3

Adsorption

La surface tend ` concentrer les impurets ; ceci est principalement du ` son caract`re a e a e bidimensionnel. Un tr`s faible nombre dimpurets en volume sera susant pour occulter e e totalement une surface. Ainsi, ltude des surfaces ne pourra se faire que sous ultra-vide e (UHV pour Ultra-High Vacuum).

4

Autres proprits e eLes proprits des surfaces sont innombrables, on pourra cependant noter : ee leurs proprits lectroniques, ee e les modes spciques de surface, e la catalyse, ladhsion (toute surface tendant ` adhrer ` une autre surface). . . e a e a

B

Les domaines o` ltude des surfaces est importante u eLes surfaces interviennent dans de nombreux domaines, jugez plutt : o

1

Les milieux diviss ou disperss e e

Dans ces milieux, la surface mise en jeu est importante relativement au volume de lobjet : les suspensions collo dales, les milieux poreux, les mulsions, poudres, mousses. . . e Les produits industriels concerns sont divers et varis : encres, peintures, agro-alimentaire, e e cosmtiques, bton, boues, nuages, arosols. . . e e e

2

Llectronique e

Llectronique fait intervenir des surfaces ` lintrieur des composants, en particulier e a e au niveau des jonctions. La miniaturisation pose galement des probl`mes de surface, e e limportance de celles-ci augmentant quand la taille des objets diminue. En gnral, les probl`mes majeurs apparaissent dans la recherche de surfaces solides e e e tr`s propres. e

3

La catalyse

Les surfaces peuvent bien entendu combler les rves des chimistes. La catalyse en e phase solide est une voie de recherche tr`s en vogue depuis longtemps, et elle est utilise e e industriellement, par exemple dans les pots dchappement catalytiques. e

4

Les matriaux e

De plus en plus, au lieu dinventer de nouveaux matriaux, on prf`re raliser des e ee e traitements de surface sur des matriaux bien connus. Ceci pose bien entendu des probl`mes e e dadhsion et de couches minces. e

5

Les syst`mes molculaires auto-organiss e e eCeux-ci se rencontrent particuli`rement dans les milieux biologiques. e Considrons par exemple des molcules amphiphiles. e e

5

CHAPITRE 1. INTRODUCTION

air

eau

Si on les place dans leau, il peut se former ` linterface eau/air a un lm de surface, appel selon les cas couche de Langmuir, couche de e LangmuirBlodgett, ou monocouche de Gibbs. ` A partir dune certaine concentration dite concentration micellaire critique (CMC), il appara des micelles : les parties hydrophobes se mettent ensemble t an de minimiser leurs interactions avec leau. Dans certaines conditions, un nouvel objet ` 2 dimensions appara Par a t. exemple, les membranes cellulaires sont constitues dune double couche de e phospholipides.

6

Premi`re partie e

Thorie classique de la capillarit e e

7

Chapitre 2

La tension de surfaceA1

IntroductionDnition e

Considrons une enceinte de volume V, contenant des constituants i, spars en deux e e e phases I et II, laire de la surface qui les spare tant gale ` A. e e e a La tension supercielle qui existe entre les deux constituants est : F A

III =

(2.1)T,V,Ni (,dformation) e

On consid`re lnergie libre, car elle donne directement le travail ncessaire pour modie e e er la surface. Nous verrons galement plus loin pourquoi cette dnition est parfaitement e e adapte. e Notons que dans un solide, le calcul de dF doit tenir compte de