Dans ce travail, nous avons étudié la relation entre la viscosité et la dynamique microscopique (caractérisée par le temps de relaxation structurale) d'une suspension colloïdale en fonction de la fraction volumique. Nous avons mis au point une expérience originale nous permettant de mesurer la viscosité et le temps de relaxation simultanément sur le même échantillon. La dynamique microscopique est mesurée à l'aide de techniques conventionnelles de diffusion dynamique de la lumière "multi-speckles" ; la viscosité est quant à elle obtenue en mesurant la vitesse de sédimentation de particules-sondes micrométriques. Ces mesures nous ont permis d'étendre d'au moins deux décades la gamme de viscosités à taux de cisaillement nul préalablement explorée. Nous montrons que la viscosité et le temps de relaxation structurale mesuré au pic du facteur de structure statique, sont couplés jusqu'à des fractions volumiques situées bien au-delà de la transition vers un régime surfondu. Par ailleurs, nous avons constaté que le fort accroissement du temps de relaxation à l'approche de la transition vitreuse était bien décrit par une divergence exponentielle, plutôt que par une loi de puissance critique prévue par la Théorie de Couplage des Modes (MCT). / In this work, we have investigated the relation between the viscosity and the microscopic dynamics (structural relaxation time) of colloidal suspensions, as a function of volume fraction. We have designed and implemented an original setup which allows us to measure the viscosity and the relaxation time simultaneously on the very same sample. The dynamics are measured by conventional multispeckle dynamic light scattering, while the viscosity is obtained by measuring the sedimentation velocity of micron-sized tracer particles. Our measurements extend the range of previous measurements of the zero-shear viscosity by two decades. We find that the viscosity and the relaxation time measured at the peak of the static structure factor are coupled up to deep in the supercooled regime, thereby extending previous observations that were limited to the onset of supercooling. Furthermore, we show that the steep growth of the relaxation time on approaching the glass transition is well described by an exponential divergence, rather than by a critical power law as predicted by Mode Coupling Theory (MCT).

Ce travail de thèse cherche à mieux caractériser le comportement des matériaux hétérogènes sous cisaillement avec une approche multi-échelles (macro-méso-microscopique).Cela est rendu possible en développant un montage innovant qui couple un rhéomètre à un système d’imagerie de speckle résolue spatialement et temporellement (RheoSpeckle). Nous montrons la validation de notre expérience en l’appliquant sur deux matériaux parfaits : un solide et un liquide. Sur le solide, on mesure le champ de déplacement sur les images de speckle avec une résolution meilleure que 1 µm. Puis on prouve l’élasticité du matériau à l’échelle microscopique. Sur le liquide, la taille des nanoparticules est déterminée avec un excellent accord avec la spécification du fabriquant. Le champ de vitesse dans l’entrefer du Couette est calculé avec une bonne précision sur un temps inférieur à 1 s et avec une résolution spatiale de 100 µm sur 5mm. La dynamique microscopique d’une solution brownienne est étudiée et l’influence du cisaillement sur la décorrélation est déterminée. Nous montrons les capacités de notre expérience à étudier des matériaux hétérogènes en l’appliquant sur une solution concentrée de micelles géantes. La rhéologie linéaire est étudiée en rhéometrie classique mais aussi en utilisant l’imagerie du speckle. La rhéologie non linéaire de ce matériau est déterminé en rhéometrie (macro) mais aussi en calculant le champ de vitesse et l’intensité des images de speckle (méso) ou on caractérise les bandes de cisaillement qui se forment à partir d’un cisaillement critique. En fin la relaxation spatio-temporelle des bandes de cisaillement (micro) est caractérisée. On observe pour la première fois l’existence de deux temps de relaxation après l’arrêt du cisaillement et que la relaxation des bandes est relativement lente. / This work tries to better characterize the behavior of homogeneous and heterogeneous materials under shear with a multi-scale approach (macro-meso-micro-scopic). To do that, we have developed an innovative setup by coupling a rheometer to a speckle imaging geometry witch is spatially and temporally resolved (RheoSpeckle). We validate our experience using two perfect materials: a solid and a pure viscous fluid. On a solid sample, we calculate the displacement field on the speckle images with a resolution better than 1 µm. we demonstrate than, the microscopic elasticity of this material. On a pure viscous fluid, we measured the nanoparticle’s size with excellent accuracy. When a constant shear rate is applied, the velocity profile is measured with a time less than 1 s with a spatial resolution of 100 µm over 5 mm. The microscopic dynamic of a Brownian solution under shear is probed and the shear induced on the decorrelation of the intensity correlation function is studied. We show the capabilities of our experience using a concentrated solution of wormlike micelles. The linear rheology is studied using rheometric measurements and our speckle imaging system. Nonlinear rheology is studied using rheometric measurements (macro), but also by calculating the velocity filed and the intensity of speckle images (meso). With mesocopics measurements, the formation of shear banding is proved and characterized. Finally, the spatio-temporal relaxation (micro) of shear bands of this material is studied. We show for the first time the existence of two relaxations times after shear and that the relaxation of bands is relatively slow.

La thèse concerne une étude expérimentale sur la dynamique microscopique dans quatre systèmes prototypes (c'est-à-dire : le Néon, l'Azote, l'Ammoniaque et l'Eau) dans leurs phases liquide et supercritique. La technique expérimentale utilisée a été la diffusion inélastique des rayons-X (IXS). Le facteur de structure dynamique cohérent, S(Q,w), a été déterminé dans une gamme de moment transférés, Q (2 - 15 nm-1), et de fréquences, w (1 - 60 THz), correspondant à les longueurs et à des temps caractéristiques de la dynamique microscopique dans le régime des nanomètres et des picosecondes. Les données expérimentales ont été interprétées dans le cadre de la théorie hydrodynamique généralisée. Ce formalisme permet d'identifier les processus de relaxation qui décrivent la dynamique microscopique du système et de fournir des valeurs quantitatives pour les temps et les forces des processus de relaxation. Il est aussi possible de déterminer des quantités macroscopiques comme la vitesse du son et la viscosité.<br />En allant de la phase liquide à la phase supercritique, une phénoménologie commune a été qualitativement observée. Les conclusions principales sont les suivantes : (i) Un affaiblissement de la dispersion positive associée à la relaxation structurelle. (ii) Un changement dans les mécanismes principaux responsables des interactions intermoléculaires à un niveau microscopique. Dans la phase liquide les interactions intermoléculaires sont surtout des liens intermoléculaires, d'autre part, dans la phase supercritique, ces interactions sont dominées par les collisions intermoléculaires.