Dynamics of hard and soft colloids at aqueous interfaces

par Louis Keal

Thèse de doctorat en Physico-chimie des matériaux

Sous la direction de Cécile Monteux.

Soutenue le 17-11-2016

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec Sciences et Ingénierie de la Matière Molle / SIMM (laboratoire) .

Le jury était composé de Hans Tromp, Valérie Ravaine, Laurence Rozes.

Les rapporteurs étaient Régine Von Klitzing, Lazhar Benyahia.

  • Titre traduit

    Dynamiques de colloïdes aux interfaces fluides


  • Résumé

    Dans cette these nous avons étudié la dynamique de colloides aux interfaces fluides. Dans une première partie nous avons étudié la dynamique de drainage de films minces liquides contenant des particules de microgels de PNiPAM. Ces systèmes sont de plus en plus utilisés pour stabiliser et déstabiliser des émulsions sur demande en jouant sur la température. Nous avons montré que la dynamique de drainage et l'épaisseur des films dépend de la concentration et du degré de réticulation des particules. Nous avons pu à partir des épaisseurs des films remonter à la conformation des particules. Les microgels moins réticulés s'étalent davantage aux interfaces à basse concentration que les particules ayant un taux de réticulation plus élevé. En revanche à haute concentration, les particules moins réticulées forment des couches plus compactes, ce qui induit des films moins stables. Dans la deuxième partie nous avons étudié la dynamique d'adsorption de particules colloidales dans des systèmes eau dans eau, obtenus par la séparation de phase de deux solutions de polymères. A temps courts, la position de la particule varie exponentiellement avec le temps alors qu'aux temps plus longs l'évolution est logarithmique. De façon surprenante, nous trouvons que dans le régime exponentiel, le temps caractéristique, qui résulte théoriquement d'un équilibre entre les forces de tension interfaciale et la friction visqueuse est trop lent par rapport à la théorie. De plus l'existence d'un régime logarithmique (habituellement attribué à un piégeage/dépiégeage de la ligne de contact) est également surprenante puisque notre système présente des tensions interfaciales très faibles, de l'ordre de 100 µN/m.


  • Résumé

    This thesis examines interfacial colloidal dynamics in two separate aqueous systems. The first part aims to improve understanding of thermoresponsive microgel-stabilised emulsions. Many emulsion properties are determined by the behaviour and drainage dynamics of the thin films that form between droplets. This study reveals these drainage dynamics, achieved through observing a model thin film of PNiPAM microgel solution in air. We explore why, as other studies have shown, less cross-linked microgels stabilise emulsions more effectively than more cross-linked microgels, concluding that both adsorption dynamics and particle rearrangement under pressure play a role. Through a simple calculation, we are able to estimate the conformation of microgels at the interface, showing that microgel concentration in bulk determines the concentration at interface due to differences in adsorption kinetics, and microgel excess does not play a role. The second part of the thesis investigates behaviour of spherical colloidal particles within an Aqueous Two-Phase System (ATPS) composed of non-mixing polymer solutions of fish gelatin and dextran, with applications in low-fat foods. Additionally, the very low surface tension of these systems allows studing fast interfacial processes at experimentally accessible timescales. In this work, we examine adsorption dynamics of spherical particles, observing for the first time the theoretically-predicted exponential ‘snap-in’ stage of particle adsorption. Surprisingly, even at this low surface tension, a slower logarithmic relaxation is subsequently observed which at the oil/water interface is ascribed to pinning of the contact line on surface defects.


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