Micro-tomographie d’un borosilicate de baryum démixé : du mûrissement à la fragmentation

par David Bouttes

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Emmanuelle Gouillart et de Damien Vandembroucq.

Soutenue le 08-10-2014

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique en Île-de-France (Paris) .

Le jury était composé de Laurence Ramos, Dominique Bernard, Pierre Levitz, Leticia Cugliandolo, Yann Vaills.


  • Résumé

    On utilise un verre de borosilicate de baryum comme système modèle pour étudier la séparation de phase dans les liquides. Plus spécifiquement, on considère le mûrissement dans le régime hydrodynamique visqueux, où la taille caractéristique des domaines évolue linéairement en temps : ∼ (γ/η)t, avec η la viscosité et γ la tension de surface. Le système est initialement bicontinu, ce qui est nécessaire pour ce régime de croissance.La morphologie des domaines est obtenue grâce à des expériences de microtomographie à rayons X in situ sur la ligne ID19 du synchrotron ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Des outils d’analyse d’image 3D spécialement développés pour l’étude permettent d’extraire des grandeurs d’intérêt. On a ainsi mesuré les volumes et les surfaces des domaines, les distributions de tailles de cordes, la caractéristique d’Euler et les courbures moyennes et gaussiennes locales. Ces grandeurs sont étudiées à travers le prisme de la loi d’échelle dynamique, qui prédit une croissance auto-similaire.Le système se sépare en deux phases ayant un contraste de viscosité très marqué (plusieurs ordres de grandeur). Le paramètre de contrôle essentiel est la fraction volumique de la phase la moins visqueuse. Lorsque cette phase moins visqueuse est minoritaire, elle se fragmente progressivement, jusqu’à arrêter la croissance. Cette fragmentation présente un caractère auto-similaire en raison de son couplage avec le mûrissement, ce qui génère des distributions de tailles de domaines larges, qu’on prédit sous la forme d’une loi puissance. Plus généralement, le mûrissement de la structure suit la loi d’échelle dynamique tant que la fragmentation reste marginale.On utilise un verre de borosilicate de baryum comme système modèle pour étudier la séparation de phase dans les liquides. Plus spécifiquement, on considère le mûrissement dans le régime hydrodynamique visqueux, où la taille caractéristique des domaines évolue linéairement en temps : ∼ (γ/η)t, avec η la viscosité et γ la tension de surface. Le système est initialement bicontinu, ce qui est nécessaire pour ce régime de croissance. La morphologie des domaines est obtenue grâce à des expériences de microtomographie à rayons X in situ sur la ligne ID19 du synchrotron ESRF (European Synchrotron Radiation Facility). Des outils d’analyse d’image 3D spécialement développés pour l’étude permettent d’extraire des grandeurs d’intérêt. On a ainsi mesuré les volumes et les surfaces des domaines, les distributions de tailles de cordes, la caractéristique d’Euler et les courbures moyennes et gaussiennes locales. Ces grandeurs sont étudiées à travers le prisme de la loi d’échelle dynamique, qui prédit une croissance auto-similaire.Le système se sépare en deux phases ayant un contraste de viscosité très marqué (plusieurs ordres de grandeur). Le paramètre de contrôle essentiel est la fraction volumique de la phase la moins visqueuse. Lorsque cette phase moins visqueuse est minoritaire, elle se fragmente progressivement, jusqu’à arrêter la croissance. Cette fragmentation présente un caractère auto-similaire en raison de son couplage avec le mûrissement, ce qui génère des distributions de tailles de domaines larges, qu’on prédit sous la forme d’une loi puissance. Plus généralement, le mûrissement de la structure suit la loi d’échelle dynamique tant que la fragmentation reste marginale.

  • Titre traduit

    Micro-tomography of the coarsening of a phase-separated barium borosilicate glass


  • Résumé

    We use a barium borosilicate glass as a model system to study phase separation in liquids. We consider here the coarsening process in the viscous hydrodynamical regime, where the characteristic length scale grows linearly with time : ∼ (γ/η)t, with η the viscosity and γ the interfacial tension. The system is initially bicontinuous, which is mandatory for this growth regime.X-ray microtomography experiments are performed in situ at the ID19 beamline of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in order to obtain the morphology of the domains. We developed dedicated image processing routines for the analysis of the 3D images. We computed the volumes and surface areas of the domains, chord-length distributions, the Euler characteristic as well as local mean and Gaussian curvatures. Dynamic scaling hypothesis predicts a self-similar growth, which served as a basis for the discussion of these measurements. The glass separates in two phases with a very high viscosity contrast (several orders of magnitude). The main control parameter in our experiments is then the volume fraction of the less viscous phase. When this low-viscosity phase is the minority one, it undergoes a gradual fragmentation that eventually stops the coarsening. This fragmentation process bears self-similar features, which result in a wide distribution of domains sizes. We indeed predict a power-law distribution. More generally, we observed that the coarsening process follows the dynamic scaling hypothesis as long as fragmentation remains insignificant.

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