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Nano- meniscii E. CHARLAIX Université de Lyon, France NANOFLUIDICS SUMMER SCHOOL August 20-24 2007 THE ABDUS SALAM INTERNATIONAL CENTER FOR THEORETICAL PHYSICS

Nano-meniscii E. CHARLAIX Université de Lyon, France NANOFLUIDICS SUMMER SCHOOL August 20-24 2007 THE ABDUS SALAM INTERNATIONAL CENTER FOR THEORETICAL

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Nano-meniscii

E. CHARLAIXUniversité de Lyon, France

NANOFLUIDICS SUMMER SCHOOL August 20-24 2007THE ABDUS SALAM INTERNATIONAL CENTER FOR THEORETICAL PHYSICS

OUTLINE

Capillarity at a nanoscale : orders of magnitude

Some experiments involving nano-meniscii

Intrusion-extrusion of water in mesoporous media

Measuring capillary forces with SFA experiments

Micro-Nanofluidic devices

Micro-heat pipes

evaporation-condensationprocesses in thin liquid films

Two-phase flow in nano-channels

Tas & al, Appl. Phys Lett 2004

Biological & environmental processes

Sap in trees

Transport of solute in underground

Stability of soils

Material science

Humidity-induceed creep in composite materials

Frost heave

Cracks propagation in glass

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1. NEGATIVE PRESSURES

Jurin’s law

r

2R

h

Sap in trees….

Capillary rise

liquid r

lv: l-v surface tensionr: radius of mean curvature

Laplace law of capillarity

For water: r = 1µm Pcap ~ 1 atm

If r<< R : the capillary force is

R

Israelachvili, Molecular and Surface Forces, 1985

vanishing amount of liquid gives macroscopic force

r

Two spheres in contact: a wetting liquid ( < 90°) forms a liquid bridge

2. HUGE CAPILLARY FORCES

Nanomeniscus can sustain a Ø 2mm steal bead !

The Kelvin’s radius

is the mean radius of curvature for L/V equilibrium across a curved interface

RH = PV / PSAT < 100%D

3. CAPILLARY CONDENSATION

Vapor reservoir

Condensed state favored if if

rKDc

RH 50% 80% 99%

rK 1.5nm 4.5nm 100nm

4. NUCLEATION

See recent work of E. Herbert, F. Caupin, S. Balibar if

Some experiments involving nano-meniscii

Bowden et TaborThe friction and lubrication of solids

Clarendon press 1958

Surface Force Apparatus

J. IsraelachviliIntermolecular and surface forces

Academic press 1985

First measurement of capillary forceswith nano-meniscii

See also Christenson & al

PONT LIQUIDE MICROSCOPIQUE hr ~ 4 - 50 nmρ ∼ μmPV

Surface Force Apparatusin vapor atmosphere

J.L. Loubet, ECL Lyon

Crassous et al, Europhys Letter 1994

heptane vapor metal surfaces

D

F

D (nm)0 50

F (

µN

)

4π LVR rK = 24 nmQuickTime™ et un

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Classical capillarity

R

Radius of curvature of nanomeniscus is derived from F(D) curve

Strong negative pressure in the liquid bridge

Pv

0 20 D (nm) 60 80 100

rK 3.6 52 nm

Maximum adhesion force does not change much with LB size

-0.34

-0.32

-0.30

-0.28

-0.26

-0.24

-0.22

-0.20

F/R (N/m)

100500

h (A)0 5 10 D (nm)

rK

Maximum adhesion increases slightly with increasing curvature

D (nm)0 50

F (

µN

)

Capillary force with van der Waals wetting films

R

4π LVR

3e

ASLV Hamaker constant

30

25

20

Fmax/4π

( / )R mN m

0.60.50.40.30.20.10.0

r-2/3 (nm-2/3)rK

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Wetting effects are important with nano-scale meniscii

Dc

Dc

0 20 D (nm) 60 80 100

Wetting-drying of hydrophobic mesoporous media

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Micelle-templated silicas

Lefevre & al, J. Chem. Phys. 2004

CTAB + TMB Octadecyltriammonium bromide

Trimethylbenzene

Covalent grafting of silanen-octyl-dimethylchlorosilane

Pore radius from 1.3nm to 5.6 nm

Intrusion-extrusion pressure

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Rp = 1.3nm

Rp = 1.5nm

Rp = 2.3nm

Rp = 5.6 nm

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intrusion

drying

log

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liquidRp

cos a = 120.3°

advancing angle

Classical capillarity

does not work for extrusion

Laplace law for intrusion pressure

Very good agreeement with classical capillarity up to Rp=1.3 nm

Temperature dependance of pressure cycle

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Pintrusion as T : LV(T) accounts for shift

Pextrusion as T

Nucleation model for water extrusion

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Annular bump

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Wall bubble

Excess free energy for the vapor nucleus at liquid pressure PL= PV +∆p

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V/R3 QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)

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bump

bubble

The bubble is more favorable

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Number of critical vapor nucleus per unit time and length of pore

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Pore empties whenQuickTime™ et un

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QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)sont requis pour visionner cette image., microscopic length and time

Nucleation model for water extrusion

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∆c = 135 kBT∆c = 142 kBT

∆c = 190 kBT

Activation barrier accounts for: strong variation of extrusion pressure with pore size threshold pore size for extrusion temperature dependance of extrusion pressure

But: classical capillarity model gives much too high energy barrier

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Number of critical vapor nucleus per unit time and length of pore

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Pore empties whenQuickTime™ et un

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QuickTime™ et undécompresseur TIFF (non compressé)sont requis pour visionner cette image., microscopic length and time

Nucleation model for water extrusion

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L ~1 µm

t exp ~ s

Classical capillarity accounts well for pressure drop across nano-meniscus

It does not work well for estimating energy barrier of LV nucleation

Heterogeneous nucleation ? (wetting defects in nanopores)

Three-phase line tension effects ?

(line tension of 10 -11 N decreases ∆c by 400%)

See recent work of S. Balibar & al on homogeneous nucleation in water

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sont requis pour visionner cette image.∆c = 35 kBT

LIQUIDES AUX INTERFACES