Quantitative and qualitative investigation of adhesion and friction on textured surfaces : inspiration from insect-plant interactions
Étude qualitative et quantitative de l'adhésion et du frottement sur surfaces texturées : inspiration des interactions entre insectes et plantes
Feuilles végétales
Microstructures
Polymère PDMS
Reproduction
Mécanique du contact
Adhésion
Frottement
Imagerie in situ
Plant leaves
Micro-structures
PDMS polymer
Replication
Contact mechanics
Adhesion
Friction
In-situ imaging
531.4
571.43
Biomécanique
Frottement
Adhésion (physique)
Traitements de surface
L’adhérence et le frottement existent dans de nombreux systèmes techniques ainsi que dans les systèmes naturels. Ces deux phénomènes ont une influence importante sur la durabilité et l’efficacité des dispositifs techniques. Une approche reconnue pour ajuster précisément ces caractéristiques - outre le fait de modifier les propriétés physico-chimiques - est la texturation des surfaces en contact. Les surfaces de feuilles de plantes sont souvent décorées avec des morphologies de surface diverses, et présentent ainsi des fonctionnalités de surface remarquables. Cette thèse visait à réaliser une étude systématique de la mécanique de l’adhérence et du frottement sur des surfaces micro-structurées, répliquées à partir de surfaces de feuilles végétales, en contact avec une sonde qui s’inspire de l’organe adhérent d’un insecte. Les morphologies de surface de trois feuilles végétales différentes ont été directement transférées sur un polymère viscoélastique. Pour ce faire, trois approches différentes de reproduction ont fait l’objet d’une étude approfondie. La microscopie électronique à balayage et la microscopie confocale à balayage laser ont été utilisées pour l'évaluation qualitative et quantitative de la qualité de reproduction. Concernant l’étude de la mécanique du contact, un nano-indenteur a été modifié, permettant d’enregistrer les images in situ des contacts réels. Des tests de pull-off ont été menés afin d’évaluer quantitativement l’effet de la pré-charge sur la force d’adhésion et pour comprendre les modes distincts de collage/décollement. Des essais de frottement ont été effectués afin d’examiner l’effet de la charge normale et de la vitesse de glissement sur la force de frottement. Les résultats ont été discutés en fonction de la topographie de chaque surface.
Adhesion and friction exist in many technical systems as well as in natural ones. Both phenomena have a profound influence on the durability and efficiency of technical systems. A well-recognised way to tune these characteristics - besides altering the physicochemical properties - is the texturing of the interacting surfaces. Inspiringly, plant leaf surfaces are often decorated with diverse surface morphologies, and so show remarkable functionalities. This thesis aimed to perform a systematic investigation of adhesion and friction mechanics on micro-structured surfaces replicated from plant leaves, in contact with a probe, which was inspired from an insect’s adhesive pad. Surface morphologies of three different plant leaves were directly transferred onto a viscoelastic polymer. For this, three different replication approaches were comprehensively explored. Scanning electron microscopy and confocal laser scanning microscopy were used for the qualitative and quantitative evaluation of replication ability. For the contact mechanics investigation, a high-resolution nanoindenter was modified, with incorporating a unique feature to record the in-situ real-contact images. Pull-off tests were carried out to quantitatively evaluate the effect of pre-load on adhesion force characteristics and to understand distinct attachment-detachment modes. Friction investigations were performed to examine the effect of normal load and sliding speed on the friction force. Results were discussed with regard to each surface’s topography.
Electronic Thesis or Dissertation
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35625213
Université de Strasbourg
Strasbourg
2019-12-31
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35541291
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Kumar
Charchit
1989-12-12
FR
238385981
https://theses.fr/2019STRAE008
2019STRAE008
https://doi.org/10.70675/c17ea65azbdc4z4b2dz9724z5aeb6987cca0
2019-05-28
Biomécanique
Strasbourg
131056549
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg (Fribourg-en-Brisgau, Bade-Wurtemberg, Allemagne)
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027398714
Doctorat
Docteur es
non
oui
Le Houérou
Vincent
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Speck
Thomas
MADS_DIRECTEUR_DE_THESE_2
069132720
Bueno
Marie-Ange
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École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
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Le Houérou
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École doctorale Physique et chimie-physique (Strasbourg ; 1994-....)
Institut Charles Sadron (Strasbourg ; 1985-....)
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