Que se passe-t-il à l'échelle nanométrique à l'interface liquide/solide ? : implémentation d'un Microscope à Force Atomique pour l'imagerie 3D-AFM de l'interface liquide/solide : application aux biocapteurs et à la tribologie

La compréhension des interfaces solide-liquide et polymère-liquide est d'une grande importance en raison de leur rôle dans des applications comme la catalyse, lubrification, développement des biocapteurs et l'anti-encrassement. Dans ce travail, des surfaces inorganiques de référence (silicium, mica et or ultraplat), ainsi que des substrats d'or modifiés par des polymères, ont été étudiés à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM) en modes spectroscopie de force unidimensionnelle (1D-AFM) et tridimensionnelle (3D-AFM). Ce dernier n'existe encore qu'en tant qu'implémentation de laboratoire en cours de développement et n'est pas encore commercialisé.La spectroscopie de force avec des pointes AFM à rayon nanométrique a permis de détecter les forces d'hydratation à l'interface solide-liquide. À pH acide (pH 5.5), la couche d'hydratation est déstabilisée par les ions hydroniums H3O+, ce qui conduit à des interactions dominées par l'attraction de van-der-Waals. À pH plus élevé, en particulier dans le tampon PBS (pH 7.4), une répulsion plus marquée a été observée en raison de la présence d'ions potassium K⁺ fortement hydratés, qui stabilisent la couche d'hydratation.Les brosses polymériques greffées sur l'or ont ensuite été étudiées individuellement. Pour l'acide polyacrylique (PAA), un polyélectrolyte faible, la conformation des chaînes dépend fortement du pH et de la force ionique : conformations effondrées de type "champignon" à pH acide, conformations étendues de type "brosse" à pH basique, puis gonflement initial (à 0.02M) suivi d'un effondrement au-delà de 0.1M de sel. En revanche, le poly(oxyde d'éthylène) (PEO), un polymère neutre, n'a montré aucun changement structurel significatif en fonction du pH ou de la concentration saline. Les systèmes mixtes PAA/PEO ont également été analysés à l'aide d'un outil de visualisation basé sur les réseaux de neurones, révélant deux comportements distincts dans les cartes de couleurs obtenues.Afin de décrire quantitativement les mesures, une procédure d'ajustement a été développée pour modéliser les courbes de force. Les premiers résultats montrent que le modèle est applicable en l'absence d'attraction de van-der-Waals, puisqu'aucune expression n'est actuellement disponible pour une pointe AFM de forme pyramidale. Toutefois, des améliorations restent nécessaires afin de reproduire fidèlement l'ensemble des interactions observées.Enfin, la 3D-AFM a été employée pour visualiser les structures d'hydratation et les brosses polymériques aux interfaces. Les premiers résultats ont permis de révéler les couches d'hydratation sur les surfaces solides, apportant des informations complémentaires aux données de 1D-AFM. En revanche, sur les surfaces recouvertes de polymères, la sensibilité actuelle n'a pas encore permis de distinguer clairement les brosses polymériques, bien que cela reste favorable en comparaison avec la seule autre étude menée sur des surfaces similaires. Néanmoins, la 3D-AFM montre un fort potentiel et devrait, grâce à de futurs développements, offrir une meilleure sensibilité et un champ d'application élargi aux systèmes à base de brosses polymériques.Mots clés : Microscope à force atomique, interface solide/liquide, spectroscopie de force, 1D-AFM, 3D-AFM, brosses de polymères, couches d'hydratation, force d'hydratation