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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
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
-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
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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sont requis pour visionner cette image.Pliq
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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