Poroélasticité et Nonlinéarité dans le Mouillage des Gels – GelWet

Nous disposons d'un ensemble de techniques expérimentales fiables, de protocoles de conception de matériaux, et d'outils théoriques éprouvés. Nous étendons notre compréhension de l'élastomouillage pour inclure la complexité rhéologique des matériaux «mous« en utilisant des systèmes modèles solides / liquides, avec les tâches suivantes.
Tâche 1: Croissance et relaxation de la crête
Un modèle visco-poro-élastique serait-il une description plus précise des résultats expérimentaux? Nous étudierons la croissance et la relaxation des crêtes créées par des gouttes liquides sur des hydrogels originaux de physicochimie contrôlée, en comparant à un modèle visco-poro-élastique.
Tâche 2: Rôle de la viscoélasticité et de la poroélasticité sur la dynamique du mouillage
Nous étudierons comment la dynamique de la ligne de contact dépend des propriétés poro et viscoélastiques de substrats d'épaisseur contrôlée. L'angle de contact dynamique sera mesuré et étudié théoriquement en fonction de la vitesse de la ligne de contact.
Tâche 3: Grandes longueurs élastocapillaires
Nous étudierons les aspects mécaniques non linéaires de l'élastomouillage. Des gels ultra-mous basés sur un nouveau polysaccharide seront utilisés pour atteindre une longueur élastocapillaire millimétrique. Nous explorerons la statique de l'élastomouillage dans ce régime de grande déformation.
Tâche 4: Mouillage et déshumidification des gels: le problème anti-buée
Généralement, les hydrogels gonflés par un solvant ne présentent pas à l'équilibre de mouillage total. L'angle de contact de l'eau sur les gels gonflés sera mesuré. Nous imaginerons et mettrons au point des hydrogels anti-buée éventuels, qui eux, pourraient présenter du mouillage total.

Nous avons étudié l’élastomouillage des élastomères modèle, à base de poly(dimethylsiloxane), et caractérisé et identifié l'existence d'une richesse de comportements lorsqu’une goutte dévale la surface d’un élastomère. Ce processus, pertinent pour des applications telles que la collecte de condensation, est affecté par la nature du substrat. En particulier, nous avons montré que la forme de la goutte à vitesse de dévalement constante est dépendante des propriétés mécaniques du substrat, et ce jusque dans des régimes instables où la goutte se casse en une multitude de gouttes filles. Nous avons par ailleurs publié trois articles théoriques et expérimentaux dans le contexte de ce projet, et un en cours de rédaction.
Nous avons également travaillé sur la synthèse des hydrogels. Les trois types d’hyrogels originaux ont été synthétisés et caractérisé rhéologiquement.
(i) Hydrogels à double réticulation : Des Hydrogels ayant l’élasticité dynamique ont été synthétisés pour l’étude sur la dynamique de mouillage. Nous avons obtenu des hydrogels à base de deux polymères simples, polyacrylamide ou poly(alcool vinylique), afin de moduler les modules et le temps caractéristique de relaxation.
(ii) hydrogels ultra-mous : des hydrogels avec un faible module élastique ont été préparés, pour la longueur élasto-capillaire importante. Leurs propriétés rhéologiques et fracture sont en cours de caractérisation par rhéométrie en cisaillement et en indentation.
(iii) Hydrogels à durcissement sous contrainte : Afin d’étude la non-linéarité de l’élasto-mouillage, des hydrogels à base de polysaccharide semi-rigide « sacran » ont été synthétisés, et les conditions de synthèse pour les bonnes propriétés de durcissement ont été mises au point.
Trois articles sont en cours de rédaction.

Vu les résultats obtenus, nous espérons les impacts scientifiques et industriels suivants.
Impact scientifique:
Le projet est une généralisation des problèmes de mouillage classiques et peut être lié à des problèmes d'adhérence et de fracture. Bon nombre des questions que nous envisageons d'aborder sont les questions scientifiques fondamentales. Nous voulons donc construire une initiative pédagogique sur nos travaux passés et futurs en organisant une école ou atelier.
Impact industriel:
Les livrables du projet seront très pertinents dans un contexte industriel:
1) Mise au point d'un rhéomètre à ligne de contact très adapté à des gels très «mous«.
2) Le dépôt de gouttes pourrait également être utilisé pour patterner la surface de gels.
3) Un revêtement de la surface avec une couche hydrophile non saturée d'eau peut potentiellement apporter des propriétés anti-buée si les difficultés techniques et fondamentales sont surmontées.

Publications
(1) Zhao et al. - Geometrical control of dissipation during the spreading of liquids on soft solids, PNAS 2018
(2) Zhao et al. - Growth and relaxation of a ridge on a soft poroelastic substrate, Soft Matter 2018
(3) Masurel et al. - Elastocapillary Ridge as a Noninteger Disclination, PRL 2019

Presentation aux conférences
(1) « Rheological properties of sacran chemical gels », T. Narita, 10th Annual Symposium on Sacran, Sado, Japon, le 13/10/2019

Les hydrogels et les élastomères présentent de diverses applications dans la collecte et la manipulation des liquides, en raison de leurs propriétés mécaniques et physico-chimiques. Le mouillage de ces matériaux "mous" n'est toujours pas bien compris. La tension superficielle peut déformer le substrat, donc la réponse mécanique des gels doit être prise en compte. Les gels sont à la fois viscoélastiques et poroélastiques. Jusqu'à présent, la plupart des études sur le mouillage des solides "mous" ont ignoré la poroélasticité. Les gels peuvent également répondre de manière non linéaire quand les déformations induites deviennent très grandes. Une compréhension de la statique et de la dynamique de l'élastomouillage sur des systèmes modèles avec des propriétés mécaniques, physico-chimiques et géométriques bien contrôlées est un défi important.
Malgré nos progrès récents, des résultats importants de ces études continuent d'échapper à notre compréhension, et ils sont probablement la signature d'une mécanique non viscoélastique. Nous disposons d'un ensemble de techniques expérimentales fiables, de protocoles de conception de matériaux, et d'outils théoriques éprouvés. Nous voulons étendre notre compréhension de l'élastomouillage pour inclure la complexité rhéologique des matériaux "mous" en utilisant des systèmes modèles solides / liquides.
Objectifs:
(1) Identifier la mécanique en jeu pendant la croissance et la relaxation de la "crête" formée à la ligne de contact ("ridge")
(2) Étudier les effets de la poro-visco-élasticité sur la dynamique du mouillage des gels.
(3) Explorer les non-linéarités mécaniques lors du mouillage de gels très déformables.
(4) Comprendre le démouillage des hydrogels avec application aux revêtements anti-buée.
Tâche 1: Croissance et relaxation de la crête
Un modèle visco-poro-élastique serait-il une description plus précise des résultats expérimentaux? Nous étudierons la croissance et la relaxation des crêtes créées par des gouttes liquides sur des hydrogels originaux de physicochimie contrôlée, en comparant à un modèle visco-poro-élastique.
Tâche 2: Rôle de la viscoélasticité et de la poroélasticité sur la dynamique du mouillage
Nous étudierons comment la dynamique de la ligne de contact dépend des propriétés poro et viscoélastiques de substrats d'épaisseur contrôlée. L'angle de contact dynamique sera mesuré et étudié théoriquement en fonction de la vitesse de la ligne de contact.
Tâche 3: Grandes longueurs élastocapillaires
Nous étudierons les aspects mécaniques non linéaires de l'élastomouillage. Des gels ultra-mous basés sur un nouveau polysaccharide seront utilisés pour atteindre une longueur élastocapillaire millimétrique. Nous explorerons la statique de l'élastomouillage dans ce régime de grande déformation.
Tâche 4: Mouillage et déshumidification des gels: le problème anti-buée
Généralement, les hydrogels gonflés par un solvant ne présentent pas à l'équilibre de mouillage total. L'angle de contact de l'eau sur les gels gonflés sera mesuré. Nous imaginerons et mettrons au point des hydrogels anti-buée éventuels, qui eux, pourraient présenter du mouillage total.
Impact scientifique:
Le projet est une généralisation des problèmes de mouillage classiques et peut être lié à des problèmes d'adhérence et de fracture. Bon nombre des questions que nous envisageons d'aborder sont les questions scientifiques fondamentales. Nous voulons donc construire une initiative pédagogique sur nos travaux passés et futurs en organisant une école ou atelier.
Impact industriel:
Les livrables du projet seront très pertinents dans un contexte industriel:
1) Mise au point d'un rhéomètre à ligne de contact très adapté à des gels très "mous".
2) Le dépôt de gouttes pourrait également être utilisé pour patterner la surface de gels.
3) Un revêtement de la surface avec une couche hydrophile non saturée d'eau peut potentiellement apporter des propriétés anti-buée si les difficultés techniques et fondamentales sont surmontées.