Les suspensions concentrées et les verres colloïdaux forment une classe de matériaux intéressante d'un point de vue de la physique mais également des applications. Ces matériaux présentent des comportements rhéologiques remarquables comme la présence d'un seuil d'écoulement, des phénomènes de glissement ou encore des dynamiques de relaxation très lentes et du vieillissement. Les techniques rhéologiques classiques ne permettant pas à elles seules de remonter à l'origine microscopique de ces phénomènes, il est nécessaire de les associer à des techniques permettant de sonder la structure et la dynamique à des échelles très locales. Dans ce travail nous développons et mettons en œuvre une série d'outils complémentaires utilisant la diffusion multiple de la lumière ou la microscopie par fluorescence et nous les appliquons à l'étude de la dynamique de suspensions concentrées de microgels polyélectrolytes au voisinage de l'équilibre, en cours de vieillissement ou en écoulement. Les principaux résultats portent sur la mesure des propriétés viscoélastiques linéaires dans une fenêtre de fréquences comprises entre des temps browniens et plusieurs heures, sur le vieillissement physique, et sur le rôle des parois dans la structuration des écoulements.

La sédimentation des suspensions aqueuses de particules minérales microniques, polydisperses et concentrées a été analysée à l'aide du Turbiscan MA 2000 fondé sur la diffusion multiple de la lumière, en vue d'établir la procédure qui permet de déceler la présence d'une morphologie fractale, puis de déduire les règles de comportements des suspensions fractales par la modélisation avec les réseaux de neurones. Le domaine des interactions interparticulaires physicochimiques (0 à 10% volumique en solide) a été privilégié.La méthodologie de détermination de la structure multifractale des agglomérats et de la suspension a été proposée. La modification structurale des agglomérats qui est à l'origine de comportements non linéaires des suspensions et qui dépend des propriétés cohésives des particules primaires, est interprétée par la variation de la mobilité électrophorétique des particules en suspension. Une approche d'estimation de ces modifications structurales par les réseaux de neurones, à travers la dimension fractale, a été présentée. Les limites du modèle à assimiler ces comportements particuliers ont été expliquées comme résultant du faible nombre d'exemples et de la grande variabilité des mesures aux faibles fractions volumiques en solide.

Ce document résume mes travaux de recherche depuis mon recrutement en tant que maître de conférences à l'Institut de Physique de Rennes. Mes activités de recherche durant cette période se divisent en trois thèmes principaux: la propagation des ondes dans les milieux hétérogènes, les propriétés mécaniques des milieux granulaires et la modélisation de systèmes non linéaires. Le document détaille plus particulièrement mes contributions aux deux premiers champs.

La sédimentation des suspensions aqueuses de particules minérales microniques, polydisperses et concentrées a été analysée à l’aide du Turbiscan MA 2000 fondé sur la diffusion multiple de la lumière, en vue d’établir la procédure qui permet de déceler la présence d’une morphologie fractale, puis de déduire les règles de comportements des suspensions fractales par la modélisation avec les réseaux de neurones. Le domaine des interactions interparticulaires physicochimiques (0 à 10% volumique en solide) a été privilégié.La méthodologie de détermination de la structure multifractale des agglomérats et de la suspension a été proposée. La modification structurale des agglomérats qui est à l’origine de comportements non linéaires des suspensions et qui dépend des propriétés cohésives des particules primaires, est interprétée par la variation de la mobilité électrophorétique des particules en suspension. Une approche d’estimation de ces modifications structurales par les réseaux de neurones, à travers la dimension fractale, a été présentée. Les limites du modèle à assimiler ces comportements particuliers ont été expliquées comme résultant du faible nombre d’exemples et de la grande variabilité des mesures aux faibles fractions volumiques en solide. / The sedimentation of aqueous suspensions of micron-sized mineral particles, polydisperses and concentrated, was analyzed using the Turbiscan MA 2000 based on the multiple light scattering in order to establish the procedure to detect the presence of a fractal morphology, and then to deduce the set of laws of fractal behavior of suspensions by modeling with neural networks. The methodology for determining the multifractal structure of agglomerates and the suspension was proposed. The structural modifications of the agglomerates at the origin of the nonlinear behavior of suspensions and which depends on cohesive properties of primary particles, is interpreted by the change of the electrophoretic mobility of suspended particles. The estimation by neural networks of these structural changes, through the fractal dimension has been presented. The limits of the model to learn these specific behaviors have been explained as resulting from the low number of examples and the great variability in the measurements at low volume fractions of solid.

Le chauffage des matériaux cosmétiques peut provoquer une exsudation de surface sous la forme de petites gouttes puis un retrait des gouttes associé à un processus de recristallisation. Des méthodes rhéologiques et de diffusion multiple de la lumière ont permis une étude des effets d’exsudation et de recristallisation en fonction de la température de chauffage, du vieillissement et de la plasticité du matériau. Des simulations numériques et un modèle phénoménologique basés sur la prolifération de fissures métastables et la croissance hors équilibre d’amas de défauts liquides susceptibles de crever la surface permettent de rendre compte des effets d’exsudation et de recristallisation variables selon la plasticité de la matrice semi-cristalline et la teneur en huile dans le matériau soumis à une perturbation thermique. / The heating of cosmetic materials can generate an external sweating phenomenon shown by the formation of droplets, followed by a withdrawal of the droplets due to the recrystallization process. Rheological methods and light scattering allowed to study the effects of sweating and re-crystallization in term of heating temperature, aging, and material’s elasticity. Numerical simulations and a phenomenological model based on the multiplication of metastable cracks and the growth outside of equilibrium state of liquid default pits able to burst the surface proves the sweating effects and the re-crystallization variable depending on the semi-crystalline matrix and the percentile of oil in the material under thermal fluctuation.

Ce mémoire de thèse rapporte des résultats sur deux problèmes de la physique des mousses aqueuses tridimensionnelles : le transport de fluide par imbibition capillaire et la rhéologie. Ils sont tous deux traités par une approche physico-chimique et multi-échelles, les mesures en volume étant reliées à des mesures aux interfaces gaz / liquide. Lors de ce travail, les types de tensioactif et de gaz ont été variés de façon à contrôler les propriétés interfaciales. En plus de ces paramètres, l'effet de la fraction volumique de liquide a été étudié.<br />Les caractéristiques de l'imbibition capillaire ont été mesurées par des techniques optiques et électriques au cours de vols paraboliques, permettant de supprimer la composante gravitationnelle du drainage. Les équations théoriques décrivent correctement les résultats expérimentaux en dessous d'une fraction volumique de liquide de 0,12. Au delà, j'ai calculé une nouvelle équation pour tenir compte d'une autre répartition du liquide dans la mousse. Des résultats d'essais techniques liés à l'avancement de programmes ESA / CNES sont également exposés.<br />La rhéologie a été mesurée en modes oscillatoire et continu. Le premier mode permet d'attribuer l'origine de la viscoélasticité des mousses aqueuses à la pression de Laplace, avec une possible correction par l'épaisseur des films. En outre, j'ai développé un modèle basé sur l'analogie de la fraction volumique de liquide à une température. Le second mode, assisté par la DWS (Diffusing-Wave Spectroscopy), permet de relier l'écoulement macroscopique à des réarrangements microscopiques, tout en tenant compte du glissement en paroi. Des phénomènes de dilatance ont été mis en évidence pour la première fois dans les mousses. Ils conduisent à des écoulements de la phase liquide, qui semblent être contrôlés, à première vue, par les mêmes paramètres que les écoulements de drainage.