Comportements rhéologiques dépendants du temps dans les verres colloïdaux de particules déformables

Time-dependent rheology of soft particle glasses

• Auteur / Autrice : Bruno Flavio Di Dio
• Direction : Michel Cloitre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et chimie des matériaux
• Date : Soutenance le 12/06/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chimie moléculaire, macromoléculaire, et matériaux - Chimie Moléculaire, Macromoléculaire et Matériaux (UMR7167)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Annie Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Cloitre, Evelyne Van Ruymbeke, Thibaut Divoux, Domenico Truzzolillo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Evelyne Van Ruymbeke, Thibaut Divoux

Mots clés

Mots clés libres

Rhéologie

Polymère

Rheologie

Colloïdes

Double réseaux

Polymer

Colloidal glasses

Associative colloids

Reversible covalent bonds

Soft matter rheology

Jamming

Résumé

Comportement rhéologique dépendant du temps dans les verres colloïdaux de particules déformablesNous étudions des verres colloïdaux constitués de suspensions denses de particules déformables dans un fluide suspendant. Des exemples pratiques comprennent beaucoup de matériaux pâteux tels que les encres solides, les produits de soins personnels et certaines préparations alimentaires. Ces matériaux se comportent comme des fluides à seuil d’écoulement qui répondent de façon élastique à des petites déformations mais s’écoulent au-delà d’une contrainte seuil. Beaucoup de travaux expérimentaux et théoriques ont étudié leurs propriétés rhéologiques à l’état stationnaire. Les connaissances sur la réponse transitoire lors de la mise en écoulement ou au contraire lors de l’arrêt sont beaucoup moins avancées.Nous abordons ce problème dans le cas de suspensions très concentrées de microgels polyélectrolytes dont la microstructure est bien caractérisée. Sous écoulement ces verres colloïdaux accumulent des contraintes internes d’origine élastique qui relaxent très lentement de sorte qu’ils conservent au repos la mémoire de la direction dans laquelle ils ont été cisaillés. Nous proposons plusieurs protocoles de préparation qui minimisent l’effet de ces contraintes résiduelles et permettent de réaliser des expériences dénuées de biais directionnels. Les contraintes transitoires associées à la mise en écoulement sont analysées à l’aide d’expériences systématiques, de simulations, et d’un modèle phénoménologique, à la fois pour des microgels répulsifs et associatifs. Un dernier chapitre est consacré aux propriétés viscoélastiques à haute fréquence des suspensions. Nos résultats démontrent le rôle clé de la compétition entre l’élasticité due aux interactions de contact et les forces de viscosité dans le fluide suspendant. Ceci nous permet de proposer un cadre conceptuel qui rationalise les comportements dépendants du temps des verres colloïdaux de particules déformables.

Time-dependent rheology of soft particle glassesSoft particle glasses are jammed suspensions of soft and deformable particles dispersed in a viscous fluid. Common examples include pasty materials such as solid inks, personal care products, and foods. They behave as yield stress fluids, which respond elastically to small perturbations, but deform irreversibly and flow when they are subjected to large enough stresses. Many experimental and theoretical studies have focused on the steady shear rheology of these materials. However much less is known about their behavior in transient situations like flow cessation or startup flow.Here we investigate the time-dependent rheology of jammed suspensions made of well-characterized polyelectrolyte microgels. Upon flow cessation, these materials store residual stresses that relax very slowly and are responsible for long-lived directional memory and aging. We design several experimental protocols that minimize residual stresses and memory making it possible to perform startup experiments without directional bias. The behavior of the stress growth function is then analyzed and discussed using systematic experiments, simulations, and a phenomenological model for microgels with both repulsive interactions and short-range associations. A final chapter is devoted to the high-frequency linear viscoelasticity of the suspensions. Overall, our results demonstrate the key role played by the competition between elastic contact forces and viscous forces, thus providing a unifying framework to rationalize the time-dependent rheology of soft particle glasses.