D23 Mesure des forces de Van der Waals

Topique

Sur des surfaces propres et sèches, les forces de van der Waals sont responsables de l'adhérence des champignons entomophiles. Bien que ces structures adhésives dépendent également d'autres mécanismes dans des conditions différentes, en l'absence d'eau ou de contaminants, c'est cette force de van der Waals, agissant à l'échelle atomique entre la surface du champignon et le substrat, qui maintient le contact adhésif. Le champignon peut ainsi rester fixé à la surface sans humidité ni substances adhésives supplémentaires.

La mesure directe de cette force de van der Waals requiert un mode de fonctionnement spécifique du microscope à force atomique, appelé mode sans contact. Dans ce mode, le levier oscille en continu à sa fréquence de résonance sans toucher la surface. Le gradient de la force de van der Waals agissant sur l'extrémité du levier provoque un décalage de sa fréquence de résonance, proportionnel à l'intensité de ce gradient. C'est précisément ce décalage de fréquence qui est enregistré comme signal de mesure.

Ce décalage de fréquence ne correspond pas toujours au même régime de force de van der Waals : pour des séparations inférieures à dix nanomètres, la force de Hamaker est prédominante, tandis qu’à des séparations plus importantes, des effets de retard électromagnétique, décrits par la diffusion de Casimir-Polder, apparaissent, entraînant un écart de la force par rapport à l’approximation de Hamaker.

L’amplitude de cette force de Hamaker à faible distance est une propriété fondamentale du système, appelée constante de Hamaker, dont la valeur dépend des propriétés diélectriques des matériaux en contact. Ainsi, chaque combinaison de matériaux donne lieu à une constante de Hamaker différente. Le calcul rigoureux de cette constante requiert l’utilisation de la théorie de Lifshitz, qui intègre le spectre complet des fluctuations électromagnétiques des deux matériaux au lieu de les considérer comme de simples corps.

Pour déterminer expérimentalement la constante de Hamaker, on enregistre les courbes du décalage de fréquence de résonance en fonction de la distance entre la pointe et la surface. L’ajustement du modèle de Hamaker à ces courbes permet d’extraire une valeur numérique de la constante à partir de données purement expérimentales. L'application de cette procédure à des champignons cuticulaires reposant sur des substrats hydrophiles donne des valeurs de constante de Hamaker de l'ordre de cinquante zeptojoules, étonnamment proches de celles obtenues pour le système chitine-eau-verre.

Cette constante de Hamaker, apparemment faible, induit une pression d'adhésion supérieure à un million de pascals lorsque la distance entre le champignon et la surface est réduite à un nanomètre seulement. C'est précisément cette pression d'adhésion intense qui explique comment un champignon d'un rayon de seulement cent nanomètres peut générer, grâce aux forces de van der Waals, des forces d'adhésion de l'ordre du nanonewton sur des surfaces propres et sèches.

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