Etude à échelle microscopique des propriétés rhéophysiques de matériaux modèles par l'analyse de trajectoires de particules multiples et de l'interaction entre deux particules isolées

par Francesco Bonacci

Projet de thèse en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Xavier ChÂteau et de Tarik Bourouina.

Thèses en préparation à Paris Est , dans le cadre de SIE - Sciences, Ingénierie et Environnement , en partenariat avec NAVIER (laboratoire) et de Rhéophysique (Rhéophysique et milieux granulaires) (equipe de recherche) depuis le 01-10-2016 .


  • Résumé

    Le mouvement quasi-aléatoire de particules, d'une part, et les forces d'interactions entre particules d'autre part, constituent deux aspects fondamentaux qui régissent des propriétés rhéophysiques remarquables des fluides complexes, notamment celles des systèmes colloïdaux concentrés. En particulier, ils jouent un rôle crucial dans les mécanismes de floculation, de thixotropie et conditionnent le comportement rhéologique de ces matériaux Dans des systèmes plus dilués, le suivi des trajectoires de particules multiples est déjà exploité pour rensei-gner sur les propriétés visco-élastiques du milieu ambiant , , nonpas seulement à échelle macroscopique, mais aussi à échelle plus fine, où d'éventuelles hétérogénéités du matériau peuvent être mises en évidence à travers les cartographies qui résultent des informations locales fournies par la trajectoire de chaque particule. Ces particules mobiles sont soit celles du matériau proprement dit s'il s'agit de colloïdes, ou alors celles introduites volontairement dans un matériau homogène comme sondes de ses propriétés visco-élastiques . Dans les deux cas, il s'agit de techniques dites de « micro-rhéologie passive », ne nécessitant aucun chargement, l'énergie fournie au système étant d'origine purement thermique et c'est le mouvement qui en résulte qui est très riche en informations sur le milieu ambiant. Cette thèse porte plus spécifiquement sur des matériaux modèles pâteux. Le premier objectif est de recher-cher des corrélations entre les propriétés rhéologiques macroscopiques (viscosité apparente, contrainte seuil) et la microstructure de ces matériaux et son évolution dans le temps, caractérisée expérimentalement par un suivi de trajectoires de particules multiples. Ces trajectoires résulteront d'acquisitions d'images sur caméra rapide (jusqu'à 20 000 images par seconde) et le traitement de ces images avec une résolution spatiale sous-pixellique (0,1 pixel) soit 20 nm environ. L'ambition est ici de remonter à la cinétique de l'organisation de ces microstructures, voire même celle de leur désorganisation sous chargement, en vue d'une meilleure compréhension du comportement de ces fluides complexes à l'échelle microscopique. Le second objectif est de caractériser les interactions entre particules. A cet effet, il est envisagé d'une part d'étudier les corrélations entre trajectoires de particules y compris dans des systèmes plus dilués et d'autre part, d'étudier des systèmes de paires de particules en vue de l'étude expérimentale de leur potentiel d'interaction. Les techniques de caractérisation classiques (AFM par exemple) ne pouvant pas être utilisées pour des particules de taille inférieure à 5 µm alors que la taille caractéristiques des particules des systèmes d'intérêts pratiques est plutôt de 1 µm, les interactions entre paires de particules en fonction de la physico-chimie du milieu seront mesurées grâce à un système de pinces optiques qui sera mis au point à l'ESYCOM qui a déjà l'expérience de la manipulation de suspensions colloïdales en mettant en œuvre des forces optiques , dans le cadre de la thèse de Noha GABER, soutenue en septembre 2014, portant sur les couplages optofluidiques . Il s'agira ici d'appliquer un champ de force calibré sur chacune des particules qui se retrouveront ainsi pié-gées dans un puits de potentiel, de faire varier la distance et la profondeur du puits et d'observer le comporte-ment qui en résulte. L'effet de la taille des particules, de la concentration en sel, et éventuellement de la pré-sence d'adjuvant sont différents paramètres à faire varier. Une autre expérience consiste à piéger une paire de particules dans un même piège et d'observer la statistique de sortie de piège pour remonter à la force de leur interaction. A cet effet, il est prévu d'appliquer des forces optiques très localisées afin soit de mesurer de façon quantitative les interactions entre paires de particules en fonction de la distance qui les sépare soit de les piéger avant de les libérer et d'observer leur cinétique de libération. À ce sujet, il faut noter que les interactions colloïdales mises en jeu sont de très courte portée, de l'ordre de 10 à 30 nm, et donc interviennent à des distances inférieures à la résolution optique. Cependant, l'information cruciale dont dépend la modélisation, est l'énergie d'interaction entre particules, et sa dépendance en fonction de paramètres tels que la concentration en ions dans la solution. Cette énergie peut être mesurée en étudiant la statistique de libération de paires de particules initialement piégées. Afin d'éviter les difficultés posées par les systèmes réels qui sont en général le siège de différents phéno-mènes physico-chimiques éventuellement couplés avec des phénomènes de prise (matériaux cimentaires, plâtres, enduits…) ou de séchage (peinture, encres, …), cette étude sera menée avec un matériau modèle : des particules de silice synthétisées dans l'équipe Rhéophysique du laboratoire Navier. Ce sont des particules sphériques, monodisperses, de taille contrôlée (de l'ordre d'un micromètre de diamètre), pour lesquelles les interactions entre particules sont pilotées par l'ajout de sel. Les propriétés rhéologiques de ce système ont déjà fait l'objet d'une thèse se finissant au troisième trimestre 2016 au laboratoire Navier. Les observations des particules constituant les matériaux étudiés seront menées en utilisant le microscope confocal du laboratoire Navier et le microscope optique équipé d'une caméra rapide de l'ESYCOM. Les liens entre histoire des sollicitations et microstructures seront étudiés en observant des suspensions s'écoulant dans des dispositifs micro/milli fluidiques insérés dans les microscopes. Ces observations constitueront également une référence utile pour valider les résultats des simulations du comportement des suspensions colloïdales par les outils de la dynamique moléculaire. En plus de fournir une première caractérisation expérimentale pour des particules de cette taille, les résultats de ces essais permettront d'alimenter un modèle en dynamique moléculaire en cours d'élaboration au laboratoire Navier.

  • Titre traduit

    Micro-scale study of the rheophysical properties of model materials of complex fluid by analyzing multiple particle trajectories and interaction between two particles


  • Résumé

    The quasi-random movement of particles on the one hand, and the interaction forces between two particles, on the other hand, are two basic aspects that govern remarkable rheophysical properties of complex fluids, including concentrated colloidal systems. In particular, they play a crucial role in the flocculation mechanisms, thixotropic and ultimately they most likely have an impact at the macroscopic level on the value of the yield stress. In more dilute systems, monitoring of multiple particle trajectories is already used to learn about the viscoelastic properties of the environment, not only to macroscopic scale, but also finer scale, where possible heterogeneities of the material can be detected through the mapping resulting from the local information provided by the trajectory of each particle. These moving particles are either those of the material itself in the case of colloids, or else those intentionally introduced in a homogeneous material as probes of its visco-elastic properties. In both cases, these techniques called "passive micro-rheology," require no load, the energy supplied to the system being of purely thermal origin and it is the resulting motion is very rich in information on the ambient environment. This thesis focuses specifically on pasty model materials. The first objective is to look for correlations between macroscopic rheological properties (apparent viscosity, yield stress) and the microstructure of these materials and its evolution over time, observed experimentally by tracking multiple particle trajectories. These trajectories result from image acquisitions on high speed camera (up to 20 000 frames per second) and processing these images with sub-pixel spatial resolution (0.1 pixel). Our goal here is to trace the kinetics of the organization of these microstructures and even that of their disorganization under load, for a better understanding of these complex fluids at the microscale. The second objective is to characterize the interactions between particles. To this end, we intend firstly to study the correlations between particle trajectories even in more dilute systems. Moreover, we also study the particle pairs of systems for the experimental study of their interaction potential. To this end, we plan to implement the very localized application of optical forces in order to quantitatively measure interactions between pairs of particles as a function of the distance which separates them. Finally, the experimental results can feed simulation models and thus be faced with a kinetic modeling of the organization / disorganization of the microstructures of these model materials. Pasty model matarials under study Pasty systems are present in many industrial sectors (food processing, construction, cosmetics, paints, ...). or natural (sludge, blood, milk, ...). Their implementation is a key step which depends on the rheology and hence the microstructure of the material. The degree of flocculation of fine particles (colloidal up to a few tens of microns) is one of the parameters relating to the rheological state of these systems. Mechanical stress (shear stress) and physical chemistry (interparticle forces) are the two control levers of the degree of flocculation of a material. The characterization of the microstructure and study the relationship between microstructure and overall rheological properties of a dough are essential for understanding, modeling and control the behavior of these systems. These issues also constitute one of the most active areas of research currently in the field of soft matter. Microstructural and rheological properties of these systems rely primarily on interactions between colloidal particles. These interactions depend in a complex way of suspending fluid properties, shape, size and nature of the particles and the presence or absence of additives (dispersants, fluidizers, ...) or species (salts, ..) dissolved in suspending fluid. To avoid the difficulties of real systems which are generally the seat of various physico-chemical phenomena possibly coupled with taking phenomena (cementitious materials, plasters, ...) or drying (paint, inks, ...) this study will be conducted with a model material: silica particles synthesized in Rheophysics team Navier laboratory. They are spherical, monodisperse, of controlled size (of the order of a micrometer in diameter), for which the interactions between particles are controlled by the addition of salt. The rheological properties of this system have already been the subject of a thesis ending the third quarter 2016 Navier laboratory. The effect of three parameters has been studied in particular: ionic strength, the solid fraction and the rest time. The results of this thesis will better understand how these global properties depend on particle interactions. Multiple tracking of microparticle's trajectories The characterization of the microstructure suspensions will be conducted using the confocal microscope and the Navier laboratory optical microscope equipped with a high speed camera of ESYCOM. The links between history solicitations and microstructures will be studied by observing suspensions flowing in micro / milli fluidic devices inserted into microscopes. These observations also provide a useful reference for validating the results of simulations of the behavior of colloidal suspensions by the tools of molecular dynamics. To reconstruct the trajectories of multiple particles and in large numbers, the microscope images obtained will be processed using a method under development at the Laboratory of Computer Gaspard Monge as part of a collaboration with the laboratory ESYCOM and has been part of the work of a thesis is ending the third quarter 2016. This work has already yielded preliminary results on colloidal suspensions subject to an optical field. An essential component of this work is to have reliable microparticles trajectory analysis tool, efficient and easy to use. It exists in the literature and as a software library elements for obtaining analyzes trajectories, but none of the existing tools is complete, and does not solve the main problem, which is to get the positioning accuracy with microparticles sub-pixel in the presence of blur, noise, artifacts and optical sensor, and in difficult cases, for example close to the limit of spatial resolution of the microscope and time of the high speed camera. A demonstrator has been developed within the A3SI team Laboratory of Computer Gaspar Monge (LIGM), which helped to highlight the random walk nature related to Brownian motion of individual particles. This software tool has to be improved, made more robust and easier to use. A final internship study is underway to move in that direction but it is certain that this work will continue to require subsequently a significant effort. In particular, it should be adapted to the case of microparticles of submicron size, non-spherical, if microparticles which overlap in the fluorescence microscopy, etc. The research analysis parameters is also an open problem in the simplest case of the random walk of a single particle, given the characteristics of the studied time series, we will optimize the observed characteristics of the random walk for link the observed motion with the expected physical parameters: viscosity, size and weight of the microparticle and medium temperature. In the case of multiparticulates, the interactions can be analyzed by looking for correlation between multiple paths. Study of the interaction between particle pairs standard characterization techniques (AFM, for example) cannot be used for particle size less than 5 microns while the particle size characteristics of practical interest systems is closer to 1 micron . The interactions between pairs of particles according to the middle of physical chemistry will be measured through a system of optical tweezers, which will be developed in ESYCOM who already has experience of handling colloidal suspensions in implementing optical forces, as part of the thesis of Noha GABER, sustained in September 2014, on the optofluidic couplings. Modelling the interactions between pairs of particles will produce a similar graph structure to an elastic mesh. This will involve applying a force field calibrated on each of the particles that find themselves thus trapped in a potential well, varying the distance and the depth of the well and observe the resulting behavior. The effect of particle size of the salt concentration, and optionally the presence of adjuvant are different parameters to be varied. In addition to providing an initial experimental characterization for particles of this size, the results of these tests will power a molecular dynamics model being developed in the laboratory