Effets collectifs dans la dynamique d'émulsions confinées : transition de dépiégeage et fonte hydrodynamique

Collective dynamics in confined emulsions : plastic depinning and hydrodynamic melting

• Auteur / Autrice : Marine Le Blay
• Direction : Denis Bartolo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 07/12/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Denis Bartolo, Annie Colin, Luca Cipelletti, Frédéric Lechenault, Enric Santanach Carreras, Isabelle Cantat, Osvanny Ramos
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Luca Cipelletti, Frédéric Lechenault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Transition de dépiégeage

Fonte 2D

Transport en milieux désordonnés

Microfluidics

Depinning transition

2D melting

Transport in disordered media

Résumé

Cette thèse, motivée par l'enjeu industriel de la compréhension des mécanismes de récupération assistée du pétrole, apporte un éclairage nouveau sur le problème plus fondamental de la dynamique de transport de suspensions en milieux confinés. Notre objectif est de comprendre comment les couplages entre structure, forçage et désordre conditionnent la dynamique grande échelle de suspensions en écoulement. En développant des expériences microfluidiques modèles, nous avons pu aborder deux questions fondamentales: la transition de dépiégeage plastique d'une émulsion transportée au sein d'un milieu désordonné et la transition de fonte d'émulsions cristallines induite parles fluctuations hydrodynamiques.Nous avons montré dans un premier temps que la mobilisation d'une émulsion au sein d'un désordre gelé est une transition critique de dépiégeage. La criticalité de cette transition émerge du couplage entre les interactions de contact et la focalisation du forçage hydrodynamique au travers du motif de mobilisation qui prend la forme d'un réseau de rivières smectique. Cette transition partage un certain nombre de caractéristiques communes avec les transitions de dépiégeage plastique observées dans les réseaux de vortex d'Abrikosov ou encore dans les dispersions colloïdales à deux dimensions. Mais elle présente aussi des différences fondamentales qui s'expliquent par le couplage intime entre le forçage hydrodynamique et la structure de mobilisation qu’il induit localement.Dans un second temps, nous nous sommes intéressés à la fonte de cristaux en deux dimensions. Sile problème familier de la stabilité des cristaux bidimensionnels face aux fluctuations thermiques a été tranché récemment, celui de leur stabilité face à des fluctuations hors équilibre reste un problème ouvert. Nous avons mis en évidence la fonte d'émulsions cristallines forcées par des écoulements homogènes. Nous avons démontré expérimentalement que cet écoulement en apparence simple ne participe pas qu’à la translation triviale du matériau. Les fluctuations du champ de vitesse autour de l’écoulement moyen induisent une transition de phase discontinue entre solide cristallin et liquide désordonné. Ce processus de fonte est radicalement différent du scénario de fonte en deux étapes prédit par Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson et Young à l’équilibre. Les fluctuations hydrodynamiques permettent la coexistence entre une phase liquide désordonnée et une phase cristalline ordonnée sans intermédiaire hexatique.

This thesis, motivated by the industrial challenges of the understanding of the mecanisms of enhanced oil recovery, sheds new light on the more fondamental problem of the transport of suspensions inconfined environments. Our goal is to understand how the interplays between structure, drive anddisorder shape the large-scale dynamics of driven two dimensional suspensions. By developing microfluidic model experiments, we adress the two following fundamental questions: the plastic depinning transition of an emulsion driven in a disordered media and the melting transition of cristalline emulsions induced by hydrodynamic fluctuations.On a first hand, we demonstrate that the mobilization of an emsulsion driven through a quenched disordered environment is a critical depinning transition. The criticality of the transition emerges fromthe interplay between the contact interactions and the focusing of the hydrodynamic drive in the mobilization pattern that takes the shape of a smectic river network. This transition shares common features with classical depinning transitions observed in systems such as Abrikosov vortex lattices orcharged colloïds in two dimensions. But it also displays strong differences which can be explained bythe strong coupling between the hydrodynamic drive and the mobilization structure that it induceslocally.On a second hand, we investigate the melting of crystals in two dimensions. While the stability ofcrystalline phases regarding thermal fluctuations has been elucidated recently, stability regarding outof-equilibrium fluctuations remains an open question. We established the melting of crystals driven by homogeneous hydrodynamic flow. We demonstrate experimentally that the flow does not only lead toa trivial translation of the crystal. The fluctuations of the fluid velocity field induce a first-order transition between a crystal and a disordered liquid. This melting is radically different from the two-steps melting scenario of Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson and Young at equilibrium. The hydrodynamic fluctuations enable the coexistence between a liquid disordered phase and a cristalline phase withtout the intermediate hexatic one.