Dynamique d’écoulements de milieux granulaires microscopiques – MicroGraM

Nous utilisons une approche expérimentale qui repose sur des techniques de microfluidique et de vidéomicrosopie.

Tout d'abord, en utilisant des techniques standards de microfluidique, nous fabriquons des dispositifs contenant des milliers de containers cylindriques de taille contrôlée (typiquement 100 µm de diamètre et 50 µm de profondeur). Nous remplissons ensuite ces containers d'une suspensions de particules colloïdales, puis nous les scellons, avant de créer une géométrie typique dite de "tambour tournant" (voir image d'illustration).

Ces tambours remplis de particules, sont ensuite montés sur un microscope conçus de façon à ce que son plan d'observation soit vertical, de sorte à ce que les particules dans les tambours soient soumises à la gravité pendant l'observation.

Une expérience type consiste à partir d'un tambour au repos, dans lequel les particules ont sédimenté après une forte agitation, puis de lui appliquer une rotation initiale, qui déclenchera un écoulement du tas de grains. La dynamique caractéristique de cet écoulement est filmée puis analysée à l'aide de techniques de vidéomicroscopie.

Ces mesures sont complétées par d'autres techniques expérimentales qui permettent d'accéder à des informations supplémentaires sur les tas de suspensions colloïdales que nous étudions. Par exemple, des mesures AFM (microscope à force à atomique) permettent de mesurer les interactions entre particules, et des mesures de microscopie confocale permettent d'accéder à la position individuelle des particules dans le tas, ce qui permet entre autres d'accéder à sa compacité.

Nous avons étudies différents aspects des écoulements de suspensions colloïdales denses, et obtenus quatre résultats principaux :

1) Les interactions entre particules ont un effet important sur la dynamique d'écoulement. En particulier, la force de répulsion entre les grains permet de moduler le délai d'initiation de l'écoulement, sa vitesse, et la valeur de l'angle d'inclinaison critique qui sépare le régime d'écoulement gravitaire (plutôt caractéristique des milieux granulaires) du régime de fluage thermiquement activé (propre aux particules Browniennes).

Ces travaux sont publiés dans la revue Soft Matter : pubs.rsc.org/sm/article/20/15/3367/871571

2) Une suspension colloïdale dense laissée au repos n'est pas à l'équilibre et vieillit avec le temps. Cet effet se traduit par une dynamique d'écoulement qui ralentit lorsqu'on augmente la durée pendant laquelle le tas est resté sédimenté avant d'être incliné.

Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Fluids : journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/dy9b-88v7

3) Il existe une taille de particules critique à partir de laquelle on ne peut plus former de tas stable sous son propre poids. Pour des particules en dessous de cette taille, l'angle de talus de la suspension est nul, c'est-à-dire que ce dernier s'écoulera toujours jusqu'à revenir à l'horizontale. Au dessus de cette taille, l'angle de talus de la suspension est non-nul (mais strictement inférieur à l'angle minimal prédit pour un milieu granulaire macroscopique), et augmente lorsque la taille des particules augmente.

Ces travaux sont publiés dans la revue Physical Review Letters : doi.org/10.1103/hgfn-k4ql

4) Lorsqu'une suspension est constituée d'un mélange de particules de deux tailles différentes (mélange bidisperse), on observe une dynamique d'écoulement singulière, avec l'apparition de deux régimes de fluage thermiquement activés distincts. En particulier, nous avons mis en évidence une asymétrie : ajouter un faible nombre de "petites" particules à un tas de "grosses" particules a fort impact sur la dynamique d'écoulement, alors qu'ajouter un faible nombre de "grosses" particules à un tas de "petites" particules n'a que peu d'effet.

Une publication scientifique est en cours de rédaction sur ces travaux.

Les dynamiques d'écoulement de suspensions colloïdales denses que nous avons mises en évidence comportent encore de nombreuses questions ouvertes.

Nous proposons deux pistes principales qui nous semblent intéressantes pour le futur :

1) Étudier les réarrangements de particules qui ont lieu au sein du tas lors du régime de fluage thermiquement activé, afin de mieux comprendre l'origine microscopique de la dynamique.

2) Étendre l'étude des écoulements à des géométries plus complexes que le simple tambour tournant, en particulier en s'intéressant à des écoulements dans des géométries contraintes, telles que des constrictions ou des goulots d'étrangement (comme c'est le cas dans un sablier), afin de mettre en évidence les similitudes et les différences avec le cas d'un milieu granulaire athermique.

L’étude des suspensions granulaires et colloïdales partagent certaines similitudes : les deux systèmes sont constitués d’un ensemble de particules indépendantes (grains ou colloïdes) dispersées dans un liquide. Malgré cela, ces deux champs disciplinaires sont largement découplés dans leurs approches scientifiques, en raison de la différence d'échelle qui sépare les deux systèmes (macroscopique pour les granulaire et microscopique pour les colloïdes). En effet, les systèmes granulaires sont toujours considérés dans la limite athermique, où l’agitation Brownienne est complètement négligeable. À l’inverse, les suspensions colloïdales sont souvent considérées dans des régimes fortement thermique (où l’agitation Brownienne domine toutes les autres forces) ou très dilués. C’est pourquoi le régime intermédiaire où les forces de contact et l’agitation thermique jouent simultanément un rôle important reste encore largement à explorer.

Ce projet expérimental vise à étudier les dynamiques d’avalanches de suspensions Browniennes denses, à la frontière entre milieux granulaires et systèmes colloïdaux, dans le but de comparer leurs propriétés d’écoulements à celles de systèmes macroscopiques soumis à des perturbations extérieures.

Les expériences seront menées à l’aide de dispositifs microfluidiques observés dans un système de vidéo-microscopie horizontal (dont le plan d’observation contient le vecteur gravité) qui sera spécialement développé pour le projet.

Le projet vise principalement à remplir les trois objectifs scientifiques suivants :
1) Comprendre les propriétés d’écoulement de suspensions Browniennes denses à différentes échelles, à l’aide d’expériences de tambours tournants. En particulier, étudier la transition entre les régimes thermique et athermique pour des écoulements en sommet de tas, et étudier les réarrangements de grains qui peuvent avoir lieu au sein d’un tas lorsque celui-ci s’écoule.
2) Identifier l’influence de paramètres extérieurs, connus pour être pertinents dans l’étude de systèmes macroscopiques, sur l’écoulement de milieux granulaires Browniens. En particulier, étudier le rôle des interactions frictionnelles entre les surfaces des particules, et le rôle de la polydispersité sur les propriétés de la suspension.
3) Utiliser le système microscopique, uniquement soumis aux fluctuations thermiques, comme un système de référence pour appréhender les comportements observés dans des systèmes macroscopiques soumis à des perturbations extérieures. En particulier, essayer de reproduire des expériences classiques de systèmes granulaires pour comparer l'effet de l'agitation thermique à celui d'autres sources de forçage, afin de pouvoir identifier si ces perturbations peuvent ou non être assimilées à des « températures effectives ».