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Thesis advisor: Mark D. Behn / Ice sheet flow is strongly controlled by the conditions at the ice-bed interface. While these processes are hard to observe directly, comparisons between numerical modeling and ice surface observations can be used to indirectly infer subglacial processes. Specifically, seasonal summer speed up near the margin of the Greenland Ice Sheet (GIS) has been linked to the presence of subglacial water. For decades, the Glen flow law has been the most widely-accepted constitutive relation for modeling ice flow. However, while the Glen law captures the temperature-dependent, nonlinear viscosity of ice, it does not explicitly incorporate ice grain size, which has been shown in laboratory experiments to influence ice rheology. To compensate for the lack of explicit grain size dependence, ice sheet models often utilize an “enhancement factor” that modifies the flow law to better match observations, but does not provide insight into the physical processes at play. Using a grain size sensitive rheology that incorporates grain size evolution due to dynamic recrystallization and grain growth, I model the effects of seasonal variations of subglacial hydrology in a 2-D vertical cross-section of ice flow on both annual and inter-annual timescales. The presence of subglacial water reduces the frictional coupling between the ice and the bed. Here I simulate the presence of water at the ice-bed interface during the melt season using patches of free-slip and explore a range of patch sizes and geometries to investigate their role in modulating ice surface velocities and grain size within the ice. I compare modeled winter and summer surface velocities to observations taken on the western margin of the GIS and find that realistic surface velocities are achievable using agrain size sensitive flow law without the introduction of an enhancement factor. Further, the grain size of the internal ice responds on an inter-annual timescale to these seasonal forcings at the bed, potentially leading to long-term changes in surface velocities. / Thesis (MS) — Boston College, 2022. / Submitted to: Boston College. Graduate School of Arts and Sciences. / Discipline: Earth and Environmental Sciences.

Les mousses d’émulsions sont des systèmes complexes de bulles d’air et de gouttes d’huile dans l’eau. Ils sont omniprésents dans la vie de tous les jours mais leur stabilité n’est encore pas parfaitement comprise. L’objet de cette thèse expérimentale est de caractériser les propriétés rhéologiques et de comprendre les mécanismes de vieillissement de tels matériaux. Dans une première partie, j’étudie l’élasticité d’émulsions attractives dans lesquelles ont vient inclure des bulles d’air. Mes résultats montrent que si les bulles d’air sont plus rigides que l’émulsion (haute pression de Laplace), les inclusions ont pour effet le renforcement de la matrice élastique et ce phénomène peut être décrit par des modèles micromécanique. Toutefois, si les bulles sont trop petites, les prédictions ne fonctionnent plus et la restructuration des bulles et des gouttes a pour effet d’augmenter davantage le module élastique. Dans une seconde partie, j’étudie la déstabilisation de ce même système modèle par la gravité menant des études systématiques du crémage de l’émulsion et du drainage dans la mousse. J’ai monté une expérience permettant de quantifier temporellement les fractions liquides des trois fluides que sont l’huile, l’eau et l’air et décelé trois régimes dans le drainage des mousses d’émulsions. Dans un troisième temps, j’étudie le mûrissement dans les fluides visqueux dans un cas de figure modèle où la perméabilité des films et la diffusion du gaz sont négligeables afin de mettre en évidence à la fois théoriquement et expérimentalement des temps caractéristiques de relaxation des bulles en fonction de la rhéologie de la phase continue. Ces travaux de thèses permettraient de pouvoir fabriquer des mousses très stables ou des émulsions moussées plus légères et plus rigides. / Foamed emulsions are complex systems composed of air bubbles and oil droplets in water. They are ubiquitous in our daily life but their stability is still poorly understood. The aim of this experimental thesis is to characterize the rheological properties and to understand the mechanisms of ageing of such materials. In the first part, I study the elasticity of attractive emulsions in which air bubbles are included. Our results show that if the air bubbles are slightly stiffer than the emulsion (high Laplace pressure), one can observe a volume fraction dependent reinforcement of the elastic matrix that can be fully described by micromechanical models. However, below a certain size, the predictions don’t work anymore and air bubbles can restructure the emulsion and further increase its elastic modulus. In the second part, I study the gravity driven destabilization of the same system through systematic experiments of emulsion creaming and drainage of the foam. I set up an experiment to quantify the evolution of the three fluid fractions (oil, water and air). I show the existence of three drainage regimes with foamed emulsions. Thirdly, I study bubble coarsening in viscous fluids using a model experiment where the permeability of the films and the diffusion of the gas can be neglected. Combining theoretical predictions and experiments, I estimate the characteristic relaxation times that are due to the rheology of the continuous phase. These results could give insights for manufacturing new materials such as very stable foams or light and rigid foamed emulsions.

Cette thèse porte sur l’étude de la propagation d’ondes mécaniques dans des milieux granulaires secs ou mouillés, avec pour objectif de relier les phénomènes de l’échelle microscopique (dynamique des grains, potentiels d’interactions entre particules, rhéologie du fluide interstitiel) aux propriétés de l’échelle macroscopique (relation de dispersion, vitesse et atténuation des ondes dans l’approximation des grandes longueurs d’ondes). Les systèmes étudiés sont soit des milieux granulaires unidimensionnels de grande taille, analogues des chemins de plus forts contacts entre particules (les chaînes de force) dans les empilements de grains réels, soit les milieux granulaires réels eux-mêmes. Dans un premier temps, nous étudions expérimentalement la transmission d’ondes au travers d’un alignement de sphères centimétriques sèches, que nous modélisons via le potentiel de Hertz. Nous montrons que le couplage élastofrictionnel entre les grains et un substrat (le support des sphères) engendre un potentiel élastique local, qui induit à son tour une bande interdite a fréquence nulle dans la fonction de transfert. Dans un deuxième temps, nous montrons que la présence d'une quantité infime de fluide visqueux au contact entre chaque particule induit une interaction élasto-hydrodynamique (EHD). Ce dernier induit une modification de l’atténuation des ondes et une augmentation très significative de la vitesse de propagation, qui dans ce cas dépendent de manière non-triviale de l’élasticité des particules, de la viscosité du fluide et de la fréquence. Dans un troisième temps, nous vérifions la fiabilité de notre analyse pour décrire la propagation d'ondes ultrasonores dans des milieux granulaires réels, tel que le sable mouillé ou non ; les particules sont ici des sphères millimétriques. Dans le cas sec, nos résultats sont en accord avec un modèle connu de milieux effectifs (EMT) qui relève de l’interaction de Hertz-Mindlin dans l'approximation des grandes longueurs d'ondes. Dans le cas mouille, le modèle EMT combiné à un mécanisme EHD reproduit de manière acceptable nos observations préliminaires. / This thesis deals with the study of mechanical wave propagation in dry or wet granular media, with the aim of relating the phenomena at the microscopic scale (particles dynamics, interaction potentials between grains, rheology of the interstitial fluid) to the features at the macroscopic scale (dispersion relation, wave speed and attenuation in the long wavelength approximation). The systems under study are either large one-dimensional granular media, as the analogs of the paths of the most compressed grains (the force chains) in real granular packings, or the real granular media themselves. In a first place, we study experimentally the wave transmission through alignments of dry centimetric spheres, which we model via the Hertz potential. We show that the elasto-frictional coupling between the grains and a substrate (the spheres’ support) induces an on-site elastic potential, which in turn induces a band gap at zero frequency in the transfer function. In a second place, we show that the presence of an infinitesimal amount of viscous fluid at the contact between every particle induces an elasto-hydrodynamic (EHD) interaction. The later affects the attenuation of waves in addition to a significant increase of the wave speed, which in this case both non-trivially depend on the elasticity of the particles, on the viscosity of the fluid and on the frequency. In a third place, we check the reliability of our analysis to describe ultrasonic wave propagation in real granular materials such as dry or wet sand; our particles are here millimetric spheres. In the dry configuration, our results are consistent with an effective medium theory (EMT) which relies on the Hertz-Mindlin interaction in the long wavelength approximation. In the wet configuration, the EMT model combined with an EHD mechanism fairly reproduces our preliminary observations.

Les pratiques d’agriculture et de production alimentaire évoluent de façon profonde afin de proposer une offre alimentaire permettant de répondre aux enjeux de la croissance démographique, et de satisfaire des critères de santé et de durabilité. Cependant, le succès des produits alimentaires qui découlent de ces mutations repose avant tout sur leur appréciation sensorielle par le consommateur. En particulier, les perceptions de texture jouent un rôle majeur dans les choix et préférences des consommateurs.Ces travaux de thèse s’insèrent dans la problématique générale de la compréhension des mécanismes de perception de texture qui découlent des interactions mécaniques entre la langue, l’aliment et le palais durant le processus oral. L’objectif de la thèse réside dans le développement d’une méthode nouvelle et originale, basée sur les ultrasons quantitatifs, pour l’évaluation non-destructive, non-invasive et en temps réel des propriétés mécaniques du système langue-aliment-palais.Un montage bio-mimétique a été développé au laboratoire afin de reproduire en conditions contrôlées, in vitro, le comportement du système langue-palais durant la compression d’un aliment. Ce système a permis de progressivement prendre en compte la complexité de l’environnement physiologique, en intégrant notamment les caractéristiques liées à la rugosité, à la lubrification et à la déformabilité de la langue. Un ensemble de gels modèles d’agar et de gélatine a été développé, permettant d’obtenir une gamme de produits alimentaires avec des caractéristiques physiques et sensorielles contrastées. Un dispositif expérimental à ultrasons quantitatifs a ensuite été conçu afin de mesurer la réponse échographique du système langue-aliment-palais au cours de compressions uni-axiales imposées par le système biomimétique sur les aliments modèles. Des techniques de traitement du signal et des outils de simulation de propagation d’ondes ont permis de développer des indicateurs quantitatifs fournissant des informations sur les mécanismes physiques observés aux interfaces du système langue-aliment-palais. Deux paramètres ultrasonores ont alors été identifiés : i) la réflectivité de l’interface entre la langue et l’aliment, qui permet de caractériser le contact intime entre l’aliment et les aspérités de la surface de la langue, et ii) le temps de vol des ondes ultrasonores dans l’aliment, qui traduit l’état de déformation subi par ce dernier. Ces propriétés issues des signaux ultrasonores ont été confrontées à des données d’analyse sensorielle évaluées grâce à un panel de juges entraînés sur les aliments modèles sélectionnés. Les attributs sensoriels « humide » et « glissant » ont par exemple pu être mis en relation avec les mesures de réflectivité ultrasonore à l’interface langue-aliment, elles-mêmes liées à l’état de lubrification de l’interface.Ces travaux de thèse ont ainsi permis de montrer le potentiel des méthodes ultrasonores pour mieux comprendre et caractériser, en conditions in vitro contrôlées, des phénomènes physiques qui peuvent jouer un rôle important dans les mécanismes de perception de texture de l’aliment. Ils permettront d’ouvrir la voie aux perspectives de transfert de la technologie en conditions in vivo, directement sur le consommateur. / Agriculture and agri-food industry practices evolve in a deep way to supply a new food offer allowing to address population growth issues, and to meet health and sustainability criteria. However, the success of commercial products emerging from these transformations highly depends on sensory appreciation by the consumer. In particular, texture perceptions have been shown to play a major role in the choices and preferences of consumers.This thesis work fits within the general issue of understanding the mechanisms of texture perception resulting from the mechanical interactions between tongue, food and palate during oral processing. The aim of this thesis lies in the development of a new and original method, based on quantitative ultrasounds, for the non-destructive, non-invasive and real time evaluation of the mechanical properties of the tongue-food-palate system.A bio-mimicking system was developed in the laboratory to reproduce in controlled in vitro conditions, the behavior of tongue-palate system during the compression of a food sample. This system allowed to consider gradually the complexity of the physiological environment, by integrating characteristics related to tongue roughness, lubrication and deformability. A set of model gels of agar and gelatin was developed to obtain a range of food products with contrasting physical and sensory characteristics. Then, a quantitative ultrasound device was designed to measure the ultrasound pulse-echo response of the tongue-food-palate system throughout a uniaxial compression achieved by the bio-mimicking apparatus on the products. Signal processing methods and wave propagation simulation tools were used to develop quantitative indicators related to physical mechanisms occurring in tongue-food system interfaces. Two ultrasonic parameters were then identified: i) the reflectivity of tongue-food interface, which makes it possible to characterize the intimate contact between food and the asperities of tongue surface, and ii) the time of flight of ultrasonic waves through the food sample, which is related to the level of deformation undergone by the sample. Finally, the properties stemming from ultrasonic signals were compared with sensory data estimated on the set of food samples, thanks to a panel of trained judges. “Moist” and “slippery” sensory attributes were for instance shown to correlate with ultrasound reflectivity measurements, which are themselves related to lubrication conditions at tongue-food interface.This thesis work allowed to show the potential of ultrasonic methods to better understand and characterize, in controlled in vitro conditions, physical phenomena which may play an important role in the mechanisms of food texture perception. This work must pave the way for future investigations on the transfer of the technology to in vivo conditions, directly on the consumer.

Cette étude porte sur l'élaboration de matériaux polymères nano-cellulaires via un procédé batch de moussage au CO2. Pour obtenir de tels matériaux, le moussage est provoqué dans des matériaux polymères nano-structurés afin de favoriser la nucléation hétérogène et d'obtenir des taux de nucléation et des densités de cellules élevées. Le moussage de terpolymères ABS et de PMMAs nanostructurés a été étudié, dans le but de produire des mousses nano-cellulaires avec une faible densité (inférieure à 0.3 g.cm-3) et une taille moyenne de cellules inférieure à 100 nm, correspondant aux morphologies de mousses requises pour obtenir des matériaux super isolants thermiquement. Le phénomène de nucléation, et donc la densité de cellules, sont apparus comme dépendant directement de la concentration et de la morphologie des agents nucléants, qui correspondent dans cette étude à des phases polymères immiscibles dispersées. L'élaboration de matériaux nano cellulaires a nécessité la compréhension des mécanismes de croissances de cellules, du rôle du CO2 en tant qu'agent gonflant et plastifiant ainsi que l'optimisation du procédé de moussage. Plus précisément, l'influence du comportement viscoélastique des matériaux polymères ainsi que celle des forces de surface sur la formation de cellules a également été étudié. Il a été montré que la formation de mousse se produisait dans un milieu viscoélastique, avec un comportement variant entre celui d'un solide et d'un liquide viscoélastique, et ce en fonction de la température et de la masses molaire des polymères / This work focuses on the fabrication of nano-cellular polymer materials by means of a CO2 batch foaming process. To produce such materials, the foaming has to be induced in nano-structured polymer materials in order to favour heterogeneous nucleation and thus to obtain high nucleation rate and high cell density. The foaming of ABS terpolymers and nanostructured PMMAs was investigated, with the aim of producing nano-cellular foams with low density (lower than 0.3 g.cm-3) and an average cell size of 100 nm, which corresponds to required foam morphologies for super thermal insulating applications. It has been shown that nucleation, and thus cell density, directly depends on the content and morphology of nucleating agents, corresponding to dispersed polymer immiscible phases. The production of nano-cellular materials required the understanding of cell growth mechanisms, the role of CO2 as blowing agent and plasticiser and process optimisation. Specifically, the influence of viscoelastic behaviour of polymer materials and surface forces on cell formation was also investigated. It was found that the foaming occurred in viscoelastic media, with transitional behaviour between solid and liquid, depending on foaming temperature and molar mass of polymers

Nous présentons dans ce travail une étude approfondie de la rhéologie à l'état fondu de composites très chargés en particules inorganiques. Les systèmes modèles étudiés sont composés de particules de ferrites ou de fibres de verre dispersées dans une matrice polypropylène. Le comportement rhéologique linéaire et non-linéaire ainsi que la morphologie des composants du mélange ont été étudiés. Sous différentes conditions d'écoulement, nous avons pu mettre en évidence la relation étroite qu'il existe entre la microstructure du matériau, sa formulation et ses propriétés rhéologiques. Nous avons ainsi évalué les principaux paramètres liés à la charge (e.g., distribution de taille, facteur de forme, chimie de surface) sur la viscosité du mélange. Ces travaux ont montré que l'ajout de charges dans une matrice thermoplastique change fondamentalement la rhéologie linéaire et non-linéaire du mélange. Sous écoulement dynamique, nous avons pu quantifier les interactions entre les charges (force de contact) et charges-polymère. D'une part, les systèmes ferrites/polypropylène ont montré une forte structuration dans le temps, ce qui se traduit par un comportement type réseaux à très faibles déformation. D'autre part, les systèmes fibres/polypropylène ont montré qu'un facteur de forme plus élevé et de meilleures interactions fibre-fibre favorisaient la création du réseau de particules. Sous écoulement permanent, les phénomènes non-linéaires ont été également étudiés. Nous n'avons pas mis en évidence de phénomènes de glissement pour l'ensemble de ces systèmes. Plus particulièrement, le système ferrites/polypropylène a montré une atténuation du comportement pseudo-plastique à haute vitesse de cisaillement. Ainsi, ce travail expérimental a contribué à la compréhension des propriétés d'écoulement de ces systèmes complexes / We present in this work a complete study of the melt rheological behavior of highly filled polymers. We study the rheological behavior of two model systems, ferrite particles and short-glass fibers dispersed in polypropylene. We investigate the structural features of such complex materials by linear and non-linear rheological behavior. Under different flow conditions, we show the close relationship between the variation in the microstructure, the formulation and the flow properties. We evaluate the effect of the main parameters related to the filler (e.g., particle size distribution, aspect ratio, surface chemistry) on the viscosity of the mixture. This work shows that the addition of fillers fundamentally changes the linear and non-linear viscoelasticity of the molten composite. Under dynamic flow, we are able to quantify the particle-particle and matrix-particle interactions. Therefore, we study the creation of the filler network with increasing the particulate phase. On the one hand, ferrite/polypropylene systems presented a network structure that evolves over time which manifest by a solid-like behavior accentuation at very low deformations. On the other hand, fibers/polypropylene composites showed that the higher the aspect ratio and the interparticle interactions, the higher is the probability to create a network structure. Under steady state flow, the non-linear behavior is studied. Wall slip effects were found to be negligible under the flow conditions studied in this work. In particular, ferrite/polypropylene showed an attenuation of the shear-thinning behavior at low shear rates. Thus, this experimental work has contributed to the understanding of the flow properties of these complex materials

L'objet de cette thèse a été le renforcement d'un copolyester thermoplastique par extrusion réactive au sein d'une extrudeuse bi-vis. L'objectif a été de faire réagir différents additifs avec les groupements réactifs du copolyester afin de créer et d'identifier de nouvelles structures moléculaires. Différentes stratégies ont été étudiées : l'ajout de polyetheramines de différentes masses molaires et différentes fonctionnalités, l'ajout de résines phénoliques dans différentes conditions, et le développement in situ lors de l'extrusion d'une phase thermodurcissable au sein de la matrice thermoplastique par des réactions époxy-amines / The goal of this thesis work was to reinforce a thermoplastic copolyester by reactive extrusion in a twin-screw extruder. The objective was to trigger chemical reactions between different additives and the reactive groups of the copolyester in order to create and identify new molecular structures. Several strategies were studied: the addition of polyetheramines presenting different molar masses and functionalities, the addition of phenolic resins in different conditions, and the in situ development during the extrusion process of a thermoset phase in the thermoplastic matrix by epoxide-amine reactions

Ces travaux constituent une étude approfondie se focalisant sur l'évolution des propriétés viscoélastique et électrique de composites à matrices thermoplastiques faiblement chargés en nanotubes de carbone. Un ajout suffisant de particules conductrices électriques entraine la formation d'un réseau percolant rendant le matériau conducteur électrique. Lors de l'écoulement du composite, la structure du réseau va fortement évoluer changeant ainsi les propriétés macroscopiques. Par exemple, le thermoformage d'une feuille de composite ayant initialement de bonnes propriétés électriques peut générer une pièce isolante.La majeure partie des études référencées dans la littérature se restreignent à l'analyse rhéologique de ces matériaux dans le domaine linéaire. C'est pourquoi, nous avons mis en place une toute nouvelle expérience. Celle-ci permet de mesurer simultanément la conductivité électrique d'une éprouvette lorsqu'elle est déformée en élongation à l'état fondu. Nous avons ainsi pu mettre évidence le lien étroit entre les variations de conductivité électrique avec la dynamique moléculaire du polymère et la vitesse de déformation. Il est désormais possible de décrire les variations de conductivité par le biais du nombre de Weissenberg, produit du temps de relaxation de la matrice et de la vitesse de déformation. De plus, nous avons montré qu'il était possible de réduire la concentration massique de NTC par ajout de nodules de polybutadiène sans impacter les conditions de mise en forme. Enfin, nous proposons un modèle qui permet de décrire les évolutions de conductivité électrique de composites subissant des déformations à l'état fondu, et ce, pour une gamme très large de conditions expérimentales / In this work we present a complete study of the electrical conductivity evolution of molten nano-composites under extensional deformation. The conductive polymer composites are a pure Polystyrene matrix filled with Carbon Nanotubes. The conductivity properties of the composites rely on the formation of a percolated network through the material. When the composite flows, the filler network can be disrupted, altering the conductivity of the composite. Thus, after a small deformation a moderately conductive composite can turn into an insulating material. From an applied viewpoint, for instance, the thermoforming of a composite sheet with good electrical properties can lead to an insulating finished part. In the literature, the studies mainly focus on the conductivity variation of molten composites under small shear deformation at low shear rates.This study aims at analyzing the microstructure evolution when the molten composite undergoes large deformation and especially in elongation. That is why we developed a new experiment that gives the possibility to monitor the specimen conductivity during its extensional deformation all the while recording the elongation stress. On the one hand, we highlighted a close relationship between the extensional conditions that are the specimen temperature and the extensional rate with the conductivity variation. Indeed, the conductivity variations can be described by means of the Weissenberg number that takes into account the polymer dynamics and the extensional rate. On the other hand, we have shown that the volume confinement of the filler, here achieved by the presence of polybutadiene nodules, gives the possibility to decrease the filler amount without impacting the process-ability of the composites. Finally, we propose a model that describes the conductivity evolution of CPC under extensional and planar flow. It links the structural evolution of the filler network to the macroscopic properties of the composite

This Master thesis investigates the interaction between the polysaccharide sodium hyaluronate (HA) and some amphiphilic molecules. It is known that the presence of the carboxylic group on HA and the aminogroup on the amphiphiles leads to electrostatic interaction between these two compounds. This supposal offers the possibility to physically modify HA and use it as a new type of a carrier of bioactive compounds, for example medicals. However, successful carrier of bioactive compound has to resist a certain value of ionic strength. The high-molecular weights HA (1.75MDa) and amphiphile lysine were chosen for the study of the influence of ionic strength on the system HA – amphiphile. Our results show that system HA – amphiphile system is suppressed even by low concentrate solution of electrolyte. Therefore the system was reinforced by protonation of the aminoacid. The results show, that the interactions were reinforced, nevertheless negative influence of chlorine anions had to be eliminated by lyophilization. The solutions with strengthened system HA – amphiphile were used for the research of ionic strength influence. The amphiphiles lysine, 6 - aminocaproic acid and arginine were selected for this study. The interactions were investigated by means of reometry and conductometry.