Description

Les suspensions non browniennes telles que le béton ou la boue sont des matériaux courants de notre vie quotidienne. Malgré une longue histoire, la physique de ces fluides complexes n’est pas encore entièrement comprise, en particulier dans le régime de fortes fractions volumiques de particules, où les contacts interparticulaires jouent un rôle déterminant. Cette méconnaissance tient en partie à l’absence de suspensions modèles permettant un contrôle étendu de ces interactions, ainsi qu’à la difficulté de mesurer avec précision les propriétés mécaniques de ces matériaux jusqu’à la fraction volumique critique \phi_c, seuil auquel la viscosité diverge et où se produit le blocage (jamming).

En collaboration avec Nicolas Sanson au SIMM (ESPCI), notre groupe au MSC a mis au point un procédé simple permettant de produire en grande quantité des particules non browniennes sensibles à des stimuli, qui peuvent ensuite être dispersées dans une variété de solvants. Les suspensions ainsi obtenues présentent des propriétés de non-frottement lorsqu’elles sont immergées dans l’eau dans un tambour rotatif, un dispositif conçu pour mesurer les coefficients de frottement. Des investigations complémentaires ont montré que le coefficient de frottement apparent, ainsi que l’interaction adhésive, peuvent être ajustés finement en modifiant les propriétés physico-chimiques du liquide porteur, transformant progressivement les suspensions en matériaux plus frictionnels et plus cohésifs.

L’objectif de cette thèse est d’étudier la réponse mécanique de ces matériaux sous pression imposée, de façon à contrôler l’intensité et la fréquence des contacts. Dans un premier temps, le ou la doctorant·e poursuivra les efforts actuellement menés au MSC pour développer un rhéomètre à pression imposée, un outil de pointe destiné à caractériser quantitativement les suspensions jusqu’à \phi_c. Pour ce faire, il/elle bénéficiera de l’expertise de l’atelier du MSC. Ce dispositif sera utilisé afin de caractériser systématiquement la relation entre les interactions interparticulaires modulées par des stimuli physico-chimiques (force ionique, pH, température…) et l’écoulement macroscopique des suspensions. Le ou la doctorant·e explorera ensuite d’autres types d’écoulements de suspensions sous pression imposée dans des films minces. Le groupe dispose d’une longue expérience dans l’étude de ces écoulements, dans lesquels les propriétés frictionnelles et adhésives des particules sont appelées à jouer un rôle important. Nous nous intéressons en particulier à l’observation de tas de suspensions à des fractions volumiques de particules bien inférieures à \phi_c. Cette étude combinera imagerie à grande vitesse et microscopie de fluorescence.

L’ensemble des projets décrits ici sera mené en collaboration avec Nicolas Sanson, Jean Comtet et Bruno Bresson au SIMM (ESPCI), qui synthétiseront les particules et caractériseront leurs surfaces par microscopie à force atomique, une technique avec laquelle le ou la doctorant·e se familiarisera. Cette partie du projet soulèvera également des questions relatives à la nature de la surface des particules, et à sa possible analogie avec une brosse polymère.

Nous recherchons un·e excellent·e étudiant·e présentant un vif intérêt pour l’expérimentation et l’instrumentation, ainsi qu’une solide formation en physique ; des connaissances en chimie seraient appréciées mais ne constituent pas un prérequis. Le sujet offre également des perspectives de modélisation théorique, avec la possibilité d’établir de manière rigoureuse une loi de comportement pour les suspensions non browniennes concentrées tenant compte des interactions interparticulaires. Le projet est soutenu par une subvention de l’ANR. Les groupes MSC et SIMM collaborent depuis cinq ans et ont déjà codirigé une thèse.

Compétences requises

Nous recherchons un·e excellent·e étudiant·e, présentant un vif intérêt pour l’expérimentation et l’instrumentation, ainsi qu’une solide formation en physique ; des connaissances en chimie seraient appréciées mais ne sont pas indispensables.

Bibliographie

[1] L. Blaiset, Model Suspensions of Functionalized Particles: An Experimental Study on the Impact of Microscopic Properties on Macroscopic Rheological Properties, Université Paris Cité, 2023.
[2] L. Blaiset, B. Bresson, L. Olanier, É. Guazzelli, M. Roché, and N. Sanson, Soft Matter 20, 5447 (2024).
[3] F. Boyer, É. Guazzelli, and O. Pouliquen, Phys. Rev. Lett. 107, 188301 (2011).
[4] F. Tapia, O. Pouliquen, and É. Guazzelli, Phys. Rev. Fluids 4, 104302 (2019).
[5] M. Zhao, M. Oléron, A. Pelosse, L. Limat, É. Guazzelli, and M. Roché, Phys. Rev. Res. 2, 022031 (2020).
[6] A. Pelosse, É. Guazzelli, and M. Roché, J. Fluid Mech. 955, A7 (2023).
[7] A. Pelosse, É. Guazzelli, and M. Roché, J. Fluid Mech. 997, A64 (2024).
[8] A. Pelosse, É. Guazzelli, and M. Roché, https://hal.science/hal-04868016.

Mots clés

Matière granulaire, Friction et adhésion, Suspensions non-Browniennes, Interfaces polymériques, Expériences et insturmentation, Théorie