Propriétés mécaniques et nanotribologiques de monocouches auto-assemblées de microgels de poly(NIPAM) cationique en milieux aqueux

Abstract

Le but de cette thèse est de faire évoluer les connaissances et la compréhension des systèmes lubrifiants en milieux aqueux, synthétiques comme biologiques. Pour cela, nous élaborons des systèmes de monocouches auto-assemblées de microgels thermosensibles de pNIPAM cationiques afin d’en étudier les propriétés mécaniques et nanotribologiques. Nous mettons au point plusieurs synthèses de microgels afin d’étudier l’effet de l’élasticité sur le comportement tribologique. Nous regardons également l’effet de la nature du greffage des microgels en surface, en élaborant une méthode de couplage chimique novatrice, pour comparer les propriétés de monocouches physi- et chimisorbées. Nous étudions les propriétés mécaniques en milieux aqueux des couches des différents microgels en fonction de la température, de la nature du greffage et du sel en présence, à l’aide d’une Microbalance à Cristal de Quartz avec mesure de Dissipation (QCMD). Le coeur de notre étude est réalisé à l’aide d’un Appareil de Forces de Surface (SFA) modifié pour permettre des mesures tribologiques, dont les résultats seront traités en deux parties. La première consiste à caractériser les forces normales de surface lorsque l’on comprime deux surfaces décorées de microgels. La seconde est constituée de l’analyse de ces surfaces sous compression et cisaillement. Nous explorons les propriétés lubrifiantes du système et observons l’apparition une force de normale dépendant de la vitesse de cisaillement, et dont nous cherchons l’origine. Nous avons ainsi découvert un mécanisme propre au substrat souple, décoré de particules discrètes avec un contact répulsif sans friction à longue portée.

The aim of this project is to advance the knowledge and understanding of lubricating systems, whether synthetic or biological, in aqueous media. For this purpose, we develop self-assembled monolayer 2D-arrays of cationic pNIPAM thermosensitive microgels in order to study their mechanical and nanotribological properties. We establish several synthetic routes to modulate the microgel rigidity and study its effect on the tribological behaviour. We also look at the effect of the grafting nature of microgels on the substrate, by developing an innovative chemical coupling method, to compare the properties of physisorbed and chemisorbed monolayers. We probe the mechanical properties of the microgel layers in aqueous environment while varying the temperature, the nature of the grafting and the salts added to the system, primarily by using a Quartz Crystal Microbalance with Dissipation monitoring (QCM-D). The core of our study is performed using a modified Surface Forces Apparatus (SFA) which allows for tribological measurements, the results of which will be treated in two parts. First, we characterise the normal surface forces when compressing two surfaces decorated with the microgel layers. Second, we study the behaviour of these surfaces under compression and shear. We explore their lubricant properties and observe the appearance of a shear-induced velocity-dependent lift force, whose origin we seek to determine. We thus discovered a mechanism specific to a compliant substrate, decorated with discrete particles presenting a repulsive contact without friction at long range.