Effet d'ultrasons de puissance sur les matériaux mous : vers des matériaux ''acousto-rhéologiques''

Effect of high intensity ultrasound on soft materials : towards « rheo-acoustical » materials

• Auteur / Autrice : Pierre Lidon
• Direction : Sébastien Manneville, Nicolas Taberlet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/07/2016
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (Lyon ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Kellay
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Manneville, Nicolas Taberlet, Hamid Kellay, Yoël Forterre, Régis Wunenburger, Éric Clément, Valentin Leroy, Guillaume Ovarlez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Yoël Forterre, Régis Wunenburger
• DOI : 10.70675/b2897570za9edz4ae7zb9e1z3a5ad88a0834

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière molle (physique)

Pression acoustique

Fluage

Milieux granulaires

Gels

Simulation de dynamique moléculaire

Mots clés libres

Ultrasons de puissance

Matière molle

Pression de radiation acoustique

Microrhéologie active

Fluage

Microgel de carbopol

Fluidification

Milieux granulaires

Dynamique moléculaire

Gels de noir de carbone

High intensity ultrasound

Soft matter

Acoustic radiation pressure

Active microrheology

Creep

Carbopol microgel

Fluidization

Granular materials

Molecular dynamics

Carbon black gels

Résumé

Les méthodes d'imagerie et de vélocimétrie ultrasonores ont prouvé leur efficacité pour étudier des matériaux divers. À haute intensité, il est connu que les ultrasons exercent des forces stationnaires dans les fluides newtoniens, par le biais d'effets non linéaires comme la pression de radiation acoustique. Néanmoins, ces effets n'ont encore jamais été exploités d'un point de vue fondamental dans le contexte de la physique des matériaux mous. L'objet de cette thèse est d'exploiter l'interaction d'ultrasons de puissance avec des matériaux bloqués afin de sonder activement, voire d'influencer leurs propriétés mécaniques. Nous proposons tout d'abord une méthode de microrhéologie active : la « mésorhéologie acoustique ». En analysant le mouvement d'un intrus sous l'effet de la pression de radiation acoustique, nous caractérisons localement la rhéologie du matériau étudié. Nous mettons cette technique en œuvre avec un fluide à seuil simple : un microgel de carbopol. Nous exploitons les résultats obtenus à la lumière d'une caractérisation rhéologique poussée du comportement de ce matériau en dessous de son seuil d'écoulement et proposons diverses pistes d'amélioration du dispositif.Ensuite, nous décrivons la mise en écoulement d'un empilement granulaire immergé par des ultrasons intenses focalisés et comparons les observations aux résultats de simulations de dynamique moléculaire. La transition de fluidification observée car l'injection d'énergie y est discontinue. Elle est intermittente et hystérétique, propriétés reproduites par des simulations numériques et dont un modèle phénoménologique simple permet de rendre compte.Enfin, en remplaçant le plan d'un rhéomètre classique par un transducteur ultrasonore, nous mesurons l'effet de vibrations à haute fréquence sur les propriétés mécaniques d'un gel colloïdal fragile de noir de carbone. Nous observons un effet significatif et potentiellement irréversible des ultrasons sur le module élastique et sur la mise en écoulement de ce système. Les vibrations semblent favoriser le glissement du gel aux parois mais il semble toutefois qu'elles induisent également des changements en volume dans l'échantillon.

Ultrasonic imaging and velocimetry has been proved to be very efficient methods to study various materials. At high intensity, ultrasonic waves are known to exert steady forces in newtonian fluid through nonlinear effects like the acoustic radiation pressure. However those effects have never been used in fundamental studies of the physics of soft materials. This thesis aims at exploiting the interaction between high intensity ultrasound and soft jammed materials to probe actively and even modify their mechanical properties.We first introduce an alternative technique for active microrheology we called « acoustic mesorheology ». By analyzing the motion of an intruder under the acoustic radiation pressure we characterize locally the rheology of the system under study. We test this technique on a simple yield stress fluid, namely a carbopol microgel. We compare the results with those obtained by standard rheology measurements of the behaviour of this gel under its yield stress.Then we describe the fluidization of an immersed granular packing by high intensity focused ultrasound. We compare our observations with the results of molecular dynamics simulations. The obtained fluidization is original as the injection of energy is discontinuous in time. It is hysteretic and intermittent and those properties are well captures by both simulations and a phenomenological model.Finally, we replace the plane of a standard cone-plate rheometer by an ultrasonic transducer. This allows us to characterize the effect of high frequency vibrations on the rheology of a fragile carbon black gel. We observe a significant and eventually irreversible effect of ultrasound on the elastic modulus and on the yielding of the system. Vibrations are shown to favor wall slip but seem to induce changes in the volume of the sample though.