Academic literature on the topic 'Forces électrostatiques'

Résumé Cette étude présente une stratégie antibiofilm appliquée à une membrane de dialyse, l’AN69; il s’agit de réaliser une modification initiale de la surface de la membrane par un polyélectrolyte cationique, le poly(diallyldiméthyl-ammonium), noté PDADMA, selon un protocole de type « layer-by-layer ». Les caractéristiques physico-chimiques des deux membranes, l’AN69 et l’AN69 modifiée par le PDADMA, sont suivies par la détermination de la modification de la charge de la membrane en mettant en oeuvre des mesures de potentiels d’écoulement et de nombres de transports de Li+, de perméabilité hydraulique et des analyses morphologiques et topographiques effectuées par les microscopies électroniques à balayage et à force atomique, respectivement avant et après exposition à E. coli et à un biofilm marin. Nos résultats montrent tout d’abord un rôle majeur joué par l’attraction électrostatique entre les microorganismes et l’AN69 modifiée par le PDADMA à l’origine d’une adhésion forte des bactéries. Par ailleurs, nous avons mis au point un protocole original d’élimination du biofilm marin. Ce protocole consiste à immerger la membrane modifiée par le PDADMA et encrassée, dans une solution de chlorure de sodium 2M afin d’écranter les charges électrostatiques à l’origine de l’accroche du polyélectrolyte et permettre le décrochage du PDADMA qui entraîne avec lui l’encrassement (constitué de bactéries et autres résidus de biofilm). La recharge d’un film frais de PDADMA permet alors une réutilisation à l’infini de la membrane AN69. La simplicité de ce protocole « de régénération » ouvre la possibilité d’une modification non permanente des membranes de dialyse, dans le but de limiter les problèmes récurrents de biocolmatage et d’augmenter les durées de vie des membranes en milieu marin.

Abstract Dans ce travail, nous avons étudié la rétention du bleu de méthylène (BM), du chrome hexavalent Cr(VI) et de l'acide éthylène diamine tétracétique (EDTA) par une membrane ZnAl2O4−TiO2. Les résultats obtenus ont montré que cette membrane présente une charge résiduelle qui dépend fortement du pH. L'effet de la pression et de la concentration sur le taux de rejet des espèces filtrées est étudié. La rétention des espèces ioniques est due à un mécanisme fondé sur les interactions électrostatiques entre les charges portées par la membrane et les ions. Le taux de rejet du BM diminue avec l'augmentation du pH, une situation qui provoque une diminution progressive de la charge positive de la membrane. Dans le cas du Cr(VI) et de l'EDTA, un pH alcalin est favorable pour une bonne rétention car la charge membranaire devient moins positive, le chrome est sous forme de CrO42− et l'EDTA apparaît sous ses formes les plus anioniques. L'effet de la pression sur le taux de rejet des solutés a montré que la contribution convective domine aux fortes pressions et conduit à des rétentions maximales du fait que le flux convectif du solvant Jv augmente et vient diluer le perméat.

This doctoral research aims to deepen knowledge on the impact of electrostatic forces on powder rheology. The initial focus of this thesis was to answer the following question:"Does the presence of electrostatic charges on a pharmaceutical powder carrier have an influence on the spatial lubricant distribution over the carrier particles and thus on the granular rheology?". After the development of an electrification setup and many experiments, the answer to this question turns out to be negative. However, this question led us to discover several phenomena, such as deformation mechanisms of powder columns during shear tests with the FT4 rheometer; and the formation of self-assemblies after the imposition of electrostatic charges on pharmaceutical excipients. These phenomena are explored in this thesis. Therefore, we demonstrate the inability of a FT4 rheometer to conduct shear tests when pharmaceutical formulations are lubricated with magnesium stearate. Indeed,"monolithic cake" behaviour appears. Two numerical models (method of characteristics and analysis of Janssen) are used to assess the stress state and explain this particular case. In addition, a characterization of the shape and particle size distribution of the electrostatic self-assemblies is presented in this thesis. Finally, the previous parts of this thesis showed the importance of wall friction effects during shear tests. Thus, a final part of this thesis focuses on the mechanism of wall lubrication.This latest effort brings us back to the study of the influence of electrostatic forces on powder rheology. Indeed, a high variability with the wall friction results is obtained with unlubricated powders at a relative humidity of 20%. The presence of magnesium stearate and/or higher humidity conditions reduces this variability. However, some tests indicate that electrostatic phenomena are part of the explanation.

Les lois qui régissent le monde macroscopique ne s'appliquent pas toujours aux nanodomaines. Beaucoup de problèmes sont rencontrés lors de micromanipulations. Ces problèmes nécessitent d'être étudiés afin de pouvoir concevoir et produire des outils performants en micromécanique. A l'échelle microscopique, les forces qui prédominent sont les forces de van der Waals, de capillarité et électrostatiques. Ce travail a pour thème les forces électrostatiques car elles sont les moins étudiées. Le but de ce projet est le développement d'un outil de simulation afin d'étudier les forces électro\-statiques adhésives. Ce problème implique la compréhension de certains mécanismes comme l'électrification de contact. En pratique, le but sera de trouver des solutions pour contrôler les forces électrostatiques lors de la conception de micromanipulateurs et de développer des stratégies pour la micromanipulation. Ceci est possible grâce à un outil de simulation et à l'étude de la littérature. La particularité des simulations repose sur la prise en compte des paramètres de rugosité grâce à l'utilisation de la fonction fractale de Weierstrass-Mandelbrot. La première partie est dédiée à la revue de la littérature afin de comprendre les principes fondamentaux de l'électrostatique, les applications, et de répertorier les modèles de prédiction existants. Un outil de simulations est présenté et validé dans la seconde partie ainsi que le choix de la représentation fractale de la rugosité. Enfin, un banc de mesures de nano-forces est présenté qui permet de valider les résultats des simulations.

Pouvoir accéder de manière fiable aux propriétés électriques des matériaux isolants permet à la fois d'améliorer leurs performances et de développer une connaissance théorique de leur comportement, étroitement lié à leurs caractéristiques physico-chimiques et microstructurales. Parmi les nombreuses méthodes développées à ce jour afin d'étudier des isolants soumis à un champ électrique et, ce, jusqu'à leurs ultimes limites de résistance a la rupture diélectrique, les mesures de forces électrostatiques ont été peu utilisées. Pourtant, l'utilisation des forces comme moyen de mesure sans contact du champ électrique présent au voisinage d'un isolant représente une voie instrumentale prometteuse que cette thèse a explorée. Deux prototypes originaux ont été conçus, réalisés et mis au point. Les géométries de la zone d'interaction électrique avec l'isolant ont été choisies afin de permettre une modélisation précise de la réponse des dispositifs. L'accent a été porté principalement sur le dispositif dont la sonde de mesure est une électrode sphérique submillimétrique polarisée, et déplaçable au voisinage de la surface du diélectrique. Son étude instrumentale détaillée a permis de vérifier la précision des mesures des forces mises en jeu et de définir les conditions d'application des modèles d'interprétation. La limite de détection de charges électriques atteint 10-14 c avec une résolution latérale submillimétrique. A l'issue de cette étude statique, a été ébauchée l'investigation de la dynamique de réponse de quelques isolants soumis à un champ électrique quasi statique et inhomogène. S'appuyant sur l'extrême sensibilité de l'appareil, les études de conductivité ne nécessitent pas de recourir à une implantation préliminaire de charges excédentaires. Des comportements non-ohmiques sont clairement mis en évidence.

Les convoyeurs électrostatiques à ondes progressives (COP) et stationnaires (COS) se présentent comme des moyens avantageux pour manipuler et transporter efficacement des particules sur une surface. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement de particules diélectriques micrométriques sur ces systèmes. Les études expérimentales commencent par la caractérisation granulométrique et optique des particules et l’analyse de leur charge. Ensuite, l’efficacité de déplacement des particules par les deux types de convoyeurs est étudiée dans différentes conditions. Par ailleurs, les trajectoires des particules sont visualisées en utilisant une caméra ultra rapide. Un post-traitement des images obtenues en utilisant la vélocimétrie par suivi de particules (PTV) est mené pour calculer et étudier la vitesse des particules en fonction de différents paramètres. Les études théoriques et numériques menées avaient pour objectif d’étudier les ondes du potentiel électrique, la variation spatio-temporelle du champ électrique, et le bilan des forces mises en jeu. La dernière partie concerne la modélisation des trajectoires et le calcul numérique de la vitesse moyenne, ainsi que de la distance de déplacement des particules. Les résultats obtenus par modélisation sont en accord avec les observations et les calculs expérimentaux. Plusieurs modes de mouvement sont obtenus en fonction de la fréquence, la tension, la charge et la taille des particules. Les particules sont transportées plus efficacement dans le COP lorsqu’elles sont en mode synchrone sautillant. L’augmentation du nombre de phases permet à la fois de minimiser l’effet des ondes harmoniques inverses et d’augmenter la vitesse de propagation de l’onde directe ; cela mène à un déplacement plus rapide et plus loin des particules dans une seule direction, ce qui augmente l’efficacité du système
Traveling and standing wave electrostatic conveyors (TWC and SWC) are presented as advantageous techniques to effectively manipulate and transport particles on a surface. The aim of this work is to study the behavior of micrometer particles on these systems. Experimental studies begin with granulometric and optical characterization of particles and the measurement of their charge. Then, the particles displacement efficiency in both types of conveyors is studied under different conditions. In addition, the trajectories of the particles are visualized using high speed camera. The post-processing of the obtained images using Particle Tracking Velocimetry technique (PTV) is carried out to calculate and study the particles mean velocity and how it is affected by different parameters. The theoretical and numerical studies carried out aim to study the electric potential waves, the spatial and temporal variation of the electric field and the balance of the forces acting on particles. The last part concerns the modeling of particles trajectories and the numerical computation of their average velocity and displacement distance. The results obtained by modeling are in good agreement with the experimental observations and calculations. Several modes of movement are obtained depending on frequency, applied voltage value, as well as particle charge and size. Particles are transported more efficiently in the TWC when they are in synchronous hopping mode. Increasing the number of phases can minimize the effect of the backward harmonic waves and increase the speed of propagation of the forward wave that may help the particles to move faster and farther in one direction and lead to better displacement efficiency

Le lois qui régissent le monde macroscopique ne s’appliquent pas toujours aux nanodomaines.

Beaucoup de problèmes sont rencontrés lors de micromanipulations. Ces problèmes nécessitent d’être étudiés afin de pouvoir concevoir et produire des outils performants en micromécanique. A l’´echelle microscopique,

les forces qui prédominent sont les forces de van derWaals, de capilarité et électrostatiques.

Ce travail a pour thème les forces électrostatiques car elles sont les moins étudiées.

Le but de ce projet est le développement d’un outil de simulation afin d’étudier les forces électrostatiques adhésives. Ce problème implique la compréhension de certains mécanismes comme l’électrification de contact. En pratique, le but sera de trouver des solutions pour contrôler les forces électrostatiques lors de la conception de micromanipulateurs et de développer des stratégies pour la micromanipulation. Ceci est possible grâce à un outil de simulation et à l’étude de la littérature. La particularité

des simulations repose sur la prise en compte des paramètres de rugosité grâce à l’utilisation de la

fonction fractale de Weierstrass-Mandelbrot.

La première partie est dédiée à la revue de la littérature afin de comprendre les principes fondamentaux de l’électrostatique, les applications, et de répertorier les modèles de prédiction existants. Un outil de simulations est présenté et validé dans la seconde partie ainsi que le choix de la représentation fractale de la rugosité. Enfin, un banc de mesures de nano-forces est présenté qui permet de valider

les resultats des simulations.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur
info:eu-repo/semantics/nonPublished

La microscopie à force atomique (AFM) dynamique est née il y a maintenant presque quinze ans (Albrecht, 1991). Depuis la première image en résolution atomique (F. J. Giessibl, 1995), les avancées de cette technique de champ proche permettent aujourd'hui de manipuler des atomes à température ambiante (Oyabu, 2005) sur des surfaces conductrices ou isolantes. La compréhension du fonctionnement de cette machine complexe et l'optimisation des réglages des nombreux asservissements est un des objectifs de ce travail de thèse. A cette fin, un formalisme analytique provenant des méthodes de l'Automatique non linéaire (J. Ch. Gille, 1956) sera introduit pour traiter de façon naturelle les blocs de régulation de la machine mais aussi pour traiter l'interaction pointe-surface comme une fonction de transfert. Un outil numérique de simulation confirmera notre approche théorique. Dans un deuxième temps, le rôle capital de la sonde et sa caractérisation seront traités à travers une méthode expérimentale simple et originale. Cette méthode se base sur l'étude des changements des propriétés de résonance de la sonde oscillante sur des surfaces isolantes et conductrices. Les forces conservatives à longue portée du type électrostatique et van der Waals seront quantifiées. Les forces à courte portée essentiellement chimiques seront mises en évidence en mesurant la dissipation de la sonde oscillante en fonction de sa distance avec la surface. Nous finirons cette étude en montrant expérimentalement, sur un sytème MoS2/îlots d'or/molécules d'octanedithiol, la grande versatilité de ce microscope. En effet, cet appareil d'observation par sa complexité apparente laisse beaucoup de degrés de liberté à l'utilisateur pour aborder l'étude d'un tel système physicochimique. Des perspectives seront données pour améliorer la stabilité et le pouvoir de résolution des pointes qui permettraient de rendre pérenne cette technique de champ proche.

Cette étude vise à une meilleure compréhension des phénomènes rencontrés en filtration des aérosols nanométriques, c’est-à-dire inférieurs à 100 nm, neutres et/ou chargés. Pour ce faire, trois différents types de média ont été étudiés : des grilles, en acier et matières synthétiques, des filtres non tissés, en fibres de verre ou polymériques, et des lits granulaires, constitués de billes d’acier ou de zéolithe. Il ressort des résultats expérimentaux obtenus que quel que soit le média testé, l’efficacité de collecte des particules augmente lorsque le diamètre de l’aérosol diminue, et ce jusque 4 nm. Ceci entre en contradiction avec l’approche théorique dite du rebond thermique, développée par Wang et Kasper en 1991, selon laquelle l’efficacité de collecte serait susceptible de diminuer en-dessous de 10 nm. La vérification des calculs de Wang et Kasper permet d’expliquer cette incohérence, et montre, à partir de valeurs plus réalistes de l’énergie d’adhésion particule-fibre, que si le rebond thermique existe, celui-ci ne pourra se manifester qu’en-dessous de 1 nm, au mieux. Ainsi, les perméances expérimentales des différents médias testés ont pu être modélisées en tenant compte des mécanismes de collecte par diffusion et/ou par effets électrostatiques. Une étude originale sur les performances, dans le domaine nanométrique, de filtres en fibres de verre intentionnellement percés complète ce travail. Pour un même média fibreux, la perméance augmente avec le diamètre de perforation réalisée. Par ailleurs, pour une taille de perforation donnée, la perméance devient indépendante du diamètre des particules en-dessous d’une taille limite, fonction de la dimension de la perforation. Il a enfin été mis en évidence que la baisse d’efficacité est d’autant plus importante que la résistance à l’écoulement de l’air du filtre est importante. Un modèle semi-empirique, fondé sur la différenciation du flux d’aérosol traversant la fuite du flux traversant le matelas fibreux résiduel du filtre, permet de bien représenter ces états de fait
This study aims to better understand the mechanisms encountered in nanoparticles aerosol filtration, the particles being charged or not. Three different types of media were studied: stainless steel or synthetics wire screens, unwoven filters in glass or polymer fibres, and at last, granular beds made from steel or zeolite balls. Experimental results show that, whatever the media, collection efficiency increases as the particle diameter decreases down to 4 nm. This point conflicts with the so-called thermal rebound effect developed by Wang and Kasper in 1991, according to which collection efficiency could decrease below 10 nm. The checking of Wang and Kasper’s calculations enables to explain this discrepancy and shows from more probable particle-to-fibre adhesion energy values that if thermal rebound phenomenon exists, it would only be measurable below 1 nm. Then, experimental points can be modelled from both diffusion and electrostatic forces collection mechanisms. An investigation on the filtration behaviour of fibreglass filters in the nanometric domain when intentionally-pierced with calibrated needles completes the above-mentioned works. For a same media, penetration increases as the leak diameter does. On the other hand, for a given hole size, penetration becomes independent of the particle diameter below a critical scale, which is a function of the leak diameter. It was lastly shown that the efficiency of a pierced media decreases all the more that its air flow resistance is higher. A semi-empirical model based on the differentiation between the aerosol flow across the leak and the one through the residual fibrous bed of the filter enables to well represent these points

L'étude ici développée traite de deux aspects de la microfluidique : l'hydrodynamique d'écoulements liquides en microtubes et l'ébullition convective en minicanaux. Le dispositif et la méthode de traitement développés dans la première partie du mémoire permettent d'obtenir le nombre de Poiseuille d'écoulements laminaires liquides avec une précision inférieure à 4%. L'étude met en évidence une croissance du nombre de Poiseuille pour les écoulements d'eau distillée, d'eau de ville et des solutions de KCl au sein de microtubes en silice de diamètres allant de 540 à 52 µm. L'origine des écarts à la théorie classique en macroconduites a été recherchée. Une des hypothèses vraisemblable est l'effet de la Double Couche Electrique due aux ions contenus dans le fluide et à la surface interne du microtube chargée électrostatiquement. Dans la seconde partie du manuscrit, nous mettons en évidence l'influence du confinement pariétal sur un écoulement avec changement de phase liquide-vapeur au sein d'un minicanal vertical. Deux régimes d'ébullition sont observés : stationnaire avec des structures d'écoulements classiques et instationnaires dues à une production importante de vapeur. Dans ce dernier cas, nous distinguons les fluctuations de couplage et les fluctuations intrinsèques à l'écoulement confiné. Un critère de déclenchement des instationarités permet d'accéder à une grandeur adimensionnelle. Une loi d'échelle est alors proposée pour les écoulements diphasiques dans les minicanaux. Il en est de même pour les transferts thermiques.

Ce manuscrit d'HDR comprend trois parties comprenant pour certaines plusieurs chapitres. Mes travaux de recherche depuis le post-dosctorat (2001) jusqu'à 2012 y sont présentés synthétiquement. Ceux-ci concernent les thématiques de microscopie à force atomique en mode non-contact et de microscopie de sonde de Kelvin appliquées à la caractérisation structurale et à la mesure des propriétés électroniques de phases de molécules organiques adsorbées sur des surfaces de sels alcalins sous ultra-vide.