– ANISO

Les suspensions concentrées de particules sont des milieux très couramment rencontrés dans la nature (fluides biologiques, boues, limons,...), comme dans l'industrie (cosmétique, agro-alimentaire, enduits, peinture,...). Lorsque la taille des particules est de l'ordre du micron, on parle de systèmes colloïdaux. Cette échelle joue un rôle particulier dans la nature. En effet, les milieux constitués de tels objets sont susceptibles de se structurer à grande échelle car les énergies mécanique, thermique brownienne et de gravitation sont alors du même ordre de grandeur (cellules constituant le vivant ou particules d'argile par exemple). - Parmi l'ensemble de ces suspensions colloïdales, celles constituées d'objets anisotropes, tels que des fibres ou des disques, ont des propriétés tout à fait remarquables. En particulier, la présence ou non d'une orientation à grande échelle dans ce type de milieu modifie considérablement leurs propriétés mécaniques. Par exemple, sous l'action d'un écoulement, une orientation des particules dans le champ de vitesse diminue fortement leur viscosité. Ces phénomènes d'orientation sont notamment essentiels à la compréhension des phénomènes de glissement de terrain, et en font des matériaux particulièrement intéressant dans l'industrie comme agents de transport ou de consolidation, notamment dans le cas de forage pétrolier, ou comme épaississants dans l'industrie agroalimentaire. - Nous proposons dans ce projet d'étudier et d'analyser ces mécanismes d'orientation sous écoulement de suspensions de particules colloïdales anisotropes, en lien avec les modifications de leurs propriétés mécaniques (viscosité, seuil d'écoulement transition sol/gel et viscoélasticité). Ces études seront menées sur des suspensions de particules de morphologie variée (1D-de type fibre ou 2D-de type disque), de leur anisotropie et de leur taille (de quelques dizaines de nanomètres jusqu'à quelques dizaines de microns, typiquement). - Bien qu'un grand nombre d'études ait été mené sur des suspensions de fibre, l'étude de milieux composés de particules 2D (discoïdes) et 3D (de type « latte ») est relativement peu importante. Ces systèmes, couramment rencontrés dans divers types de minéraux (argiles naturelles en particulier), feront donc l'objet d'une attention toute particulière. Il a été en effet montré récemment par la majorité des participants à ce projet que les hypothèses structurelles prévalant actuellement dans la littérature, associées à une organisation de tels milieux de type « châteaux de cartes » (contrôlée par une interaction attractive entre les objets) était impropre à leur description, ouvrant de nouvelles perspectives quant à leur modélisation. - Un paramètre de contrôle important pour l'ensemble de ces systèmes est leur concentration, permettant de passer progressivement d'un état isotrope (particules orientées aléatoirement) à un état nématique (particules orientées à grande échelle dans l'échantillon) au fur et à mesure que l'espace disponible autour des particules diminue lorsque leur fraction volumique augmente. - Sur le plan expérimental, des outils spécifiques de caractérisation de ces orientations partielles sous écoulement seront développés, dépendant de l'aspect transparent ou opaque de la suspension étudiée. Pour des milieux transparents, l'orientation des particules se traduit essentiellement par une biréfringence. Pour des milieux très turbides, la diffusion multiple de la lumière sera un outil d'investigation pertinent. Dans tous les cas, la dispersion des rayons X aux petits angles donnera des résultats quantitatifs incontournables servant de référence aux autres outils développés. Ces mesures non intrusives devront être développées sur des appareillages permettant de déterminer simultanément les propriétés mécaniques (rhéologiques) de ces milieux. - Nous souhaitons en effet développer une modélisation du lien entre la morphologie des particules, leur environnement physico-chimique, leur o