Méthode de réalisation des monocouches de Langmuir

Film de Langmuir

Cuve de Langmuir

Pour former des monocouches de copolymères à l’interface air-eau, pour enregistrer leurs isothermes (la pression de surface en fonction de l’aire moléculaire) et pour réaliser les différentes expériences présentées dans ce manuscrit, nous avons utilisé trois cuves de Langmuir spécifiques à chaque type d’expérience. Deux d’entre elles sont des cuves commerciales de marque Riegler&Kirstein, l’une est utilisée au Laboratoire pour la réalisation des isothermes et l’autre est dédiée aux mesures de réflectivité de neutrons effectuées sur le spectromètre EROS (réacteur Orphée, LLB).

La troisième est une cuve conçue et réalisée par notre équipe qui permet de tenir compte des contraintes particulières liées aux expériences de diffusion de rayons x. Toutes ces cuves de Langmuir disposent d’un système à une ou deux barrières mobiles situées à la surface du liquide contenu dans la cuve (appelé sous-phase) permettant de délimiter une partie variable de cette surface sans déplacer le liquide en volume. Ainsi nous pouvons moduler la densité surfacique des molécules présentes entre ces barrières en variant l’aire qui leur est disponible par la compression ou l’expansion de la couche à l’interface.

La position et la vitesse de déplacement des barrières sont contrôlées électroniquement (Riegler&Kirstein). La température de la cuve, et par conséquent celle de la sous-phase, est régulée grâce à une circulation d’eau thermalisée à l’aide d’un bain thermostaté. La pression superficielle est mesurée par la méthode de Wilhelmy qui sera décrite dans le paragraphe suivant (4.1.3). Durant l’expérience, la cuve est couverte d’un capot non représenté sur la figure 4.1 nécessaire pour éviter tout dépôt de poussière ou d’impuretés à la surface du film.

Formation des monocouches de Langmuir

Pour former une monocouche à l’interface air-eau, les molécules de copolymères diblocs sont d’abord dissoutes dans un solvant que l’on appelle « solvant d’étalement », puis une certaine quantité de la solution ainsi obtenue est déposée délicatement à la surface de la sous-phase à l’aide d’une microseringue. Le solvant d’étalement doit présenter les qualités suivantes : il doit parfaitement solubiliser les molécules utilisées, il est ensuite souhaitable que la solution de dépôt s’étale bien à la surface de l’eau et qu’elle ne soit pas miscible dans la sous-phase afin d’éviter la perte de matière en volume.

Enfin, le solvant doit s’évaporer rapidement à la température de l’expérience, pour cela il doit 46 être très volatil comme le chloroforme par exemple qui est couramment utilisé pour former des monocouches de tensio-actifs courts comme les acides gras, les amines, etc. Dans le chapitre précédent (chapitre 2), nous avons montré que pour former des monocouches de copolymères diblocs (PS-b-PAA), ces critères pour le solvant de dépôt ne peuvent pas être tous réunis. La concentration en copolymères des solutions de dépôt utilisées est de l’ordre de 10−4 mol/L. 

Mesure de la pression de surface

La pression de surface est mesurée par la méthode de Wilhelmy (figure 4.2). Il s’agit d’une lame rectangulaire verticale dont l’une des extrémités est partiellement immergée dans le liquide et l’autre est reliée à un capteur de force qui mesure la force tirant la lame vers le bas. En effet, en plus de son poids et de la poussée d’Archimède, la lame est soumise à une force relative à la tension superficielle exercée par l’interface. La composante verticale de la force résultante s’exprime de la façon suivante : F = mg − (ρ.e.h.l).g + 2(e + l).γ. cos(θ) (4.1) Où m, e et l sont respectivement la masse, l’épaisseur et la largeur de la lame, h est la hauteur de la partie immergée de la lame, ρ est la densité du liquide et θ est l’angle de contact que fait le ménisque du liquide avec la verticale de la lame.