Etienne Rolley

Professeur à l'Université Denis-Diderot Paris-7
Equipe mouillage et nucléation du Laboratoire de Physique Statistique
Département de Physique - Ecole Normale Supérieure




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Thèmes de recherche 

  depuis 1996 : Mouillage et hydrodynamique
                   
                     Mouillage de surfaces désordonnées
                         C'est notre activité principale. Nous étudions l'hystérésis de l'angle de contact, la dynamique d'avancée et de
                         recul d'un ménisque sur des systèmes contrôlés, à la fois classiques (eau ou liquides organique sur des
                         substrats patternés) et quantiques (Helium et Hydrogène sur des des substrats rugueux à l'échelle
                          nanométriques)
                     Mouillage et prémouillage de liquides quantiques (helium-4, hydrogène et mélanges 4He/H2)
                     Ressaut hydraulique à la transition superfluide
                     Pincement et coalescence de "gouttes" cristallines
                   

  1989-1996 :  Surfaces  cristallines
                   
   Formes de croissances et formes d'équilibre des cristaux d'hélium-3
                       Surfaces vicinales des cristaux d'helium-4
                   
  Publications

Mouillage de surfaces désordonnées  

La ligne de contact est le lieu où un ménisque, en général liquide-vapeur, rencontre une surface solide. La ligne de contact, ou le ménisque, peut s'accrocher sur les défauts de la surface. C'est donc un exemple de système élastique en milieu aléatoire, au même titre qu'une paroi de domaine magnétique, un réseau de voretx dans les supraconducteurs, un front d'imbibition dans un milieu poreux...

Dans tous ces systèmes, on se pose un certain nombre de questions-type, par exemple :

Quelles sont les fluctuations de positions ?

Quand on enfonce une plaque qui porte des petits défauts dans un liquide, la ligne de contact est distordue et avance par sauts.

              enf     

Si les défauts sont suffisamment grands, on peut directement observer la dynamique de la ligne (voir une ligne de contact en train de reculer  sur une plaque couverte de défauts aléatoires de taille est de 10 micromètres).
Pour ce type de système, on peut aussi se demander : quelle est la distribution des tailles de sauts ? Comment intervient la taille finie du système ? Comment la distribution de taille dépend-elle de la vitesse du système ?

Pour en savoir plus : P. Le Doussal, K. Wiese, S. Moulinet, E. Rolley, Height fluctuations of a contact line: a direct measurement of the renormalized disorder correlator, EPL 87, (2009).


La dynamique de la ligne est-elle reliée à l'hystérésis de mouillage ?

Quand la taille des défauts est de l'ordre de la dizaine de nanomètres, on ne voit rien, mais on peut détecter indirectement les sauts de la lignes. En effet, ceux-ci sont thermiquement activés. On trouve alors que la vitesse moyenne V de la ligne obéit à ue loi de type Arrhénius : V varie exponentiellement avec la force appliquée.
On peut ainsi mesurer une longueur d'activation et une énergie d'activation. La longueur d'activation est de l'ordre de la taille des défauts et l'énergie d'activation varie comme l'hystérésis de mouillage. Cela démontre que la dynamique de la ligne à basse vitesse est contrôlée par le piégeage/dépiégeage de la ligne de contact sur les défauts du substrat.

Pour en savoir plus : E. Rolley, C. Guthmann, Hysteresis and dynamics of the contact line between liquid hydrogen and cesium substrates,  Phys. Rev. Lett. 98, 166105 (2007)


Quelle est la différence entre le bord d'une goutte macroscopique et le bord d'un film de van der Waals ?

                          bordfilm            menisque
     Démouillage d’H2 liquide sur un même substrat de Cs (échelle latérale de la rugosité : 20nm)
 à gauche : bord d’un film d’épaisseur 50 nm  (T = 18.155 K, Dm = 60 mK) - à droite : bord du ménisque (T = 18.000 K)
largeur réelle des images : 2.5 mm
                                  
Le bord du film est visiblement beaucoup moins rigide que le ménisque et il est plus sensible au désordre du substrat. Cependant, il n'est pas rigoureusement un objet 1D à cause de l'épaisseur finie du film.

Pour en savoir plus :
E. Rolley, C. Guthmann, M. Pettersen, Prewetting of liquid hydrogen on a rough cesium substrate, Phys. Rev. Lett. 103, 016101 (2009)
 


Mouillage et prémouillage de liquides quantiques

Mouillage complet frustré

L'écoulement dans un film superfluide induit un amincissement de ce film et donne lieu à une attraction entre l'interface solide-liquide et l'interface liquide-vapeur. La compétition entre cet effet Bernouilli et les forces de van der Waals conduisent à une situation de pseudo mouillage partiel.

          
pseudo mouillage              
Pour en savoir plus :
M. Poujade, C. Guthmann et E. Rolley, Apparent dewetting due to superfluid flow, Europhys. Lett. 58, 837 (2002)

Transistion de mouillage des mélanges Hélium-Hydrogène

Nous avons mesuré la température de mouillage de l'H2 sur le césium en présence d'hélium-4. Ce dernier agit comme un surfactant pour H2 et abaisse la température de mouillage. La mesure du diagramme de phase a permis de montrer que la dépendance en température de la tension de surface solide-liquide est dominée par la dilatation thermique du liquide et non par les excitations thermiques de l'interface comme attendu.


Pour en savoir plus :
M.S. Pettersen, E. Rolley et C. Guthmann, Wetting in binary fluid mixtures: recent results in H2/He on Cesium,  J. of Low Temp. Physics 134, 281 (2004)
   

Ressaut hydraulique à la transition superfluide

Tout le monde a observé ce phénomène dans le fond de son évier : si le jet sortant du robinet est suffisamment fort, il apparait une discontinuitéde l'épaisseur de la nappe liquide, ou ressaut, à un certain rayon RJ. Entre le point d'impact du jet et le ressaut, la nappe est mince et l'écoulement rapide tandis qu'à l'extérieur, la nappe est épaisse et l'écoulement lent.

Que se passe-t-il quand l'écoulement est superfluide, c'est à dire sans viscosité ?

Voici ce qui arrive quand on envoie un jet d'hélium superfluide sur une surface plane et qu'on baisse progressivement la température :

                            ressaut

Il ne se passe rien à la température de transition superfluide (T = 2.17 K) ! Cela illustre le fait qu'un écoulement d'hélium superfluide est quand même dissipatif même si le mécanisme est différent de la dissipation visqueuse d'un fluide ordinaire.
Plus exactement, le rayon du ressaut ne change pas mais les oscillations capillaires dans la région centrale se développent. Cela pourrait être la signature d'un comprtement spécifique du superfluide...

Pour en savoir plus : E. Rolley, M.S. Pettersen, C. Guthmann, Hydraulic jump and ripples in liquid helium-4, Physica B 394, 46-55 (2007)