Suspensionen magnetischer Nanopartikel – sogenannte Ferrofluide – haben in den vergangenen Jahren große Bedeutung bezüglich ihrer technischen Anwendung gewonnen. Parallel zur Entwicklung des technischen Einsatzes wird auch seit langer Zeit die Möglichkeit einer Verwendung in der Krebstherapie diskutiert. Allerdings haben Tierversuche gezeigt, dass für den erfolgreichen Übergang in klinische Studien noch wesentliche offene Fragen geklärt werden müssen, wobei die Biodistribution der magnetischen Partikel im Tumor und im gesamten behandelten Organismus eine der zu klärenden Kernfragen darstellt. Normalerweise werden hierfür histologische Schnitte durchgeführt, die jedoch nur lokale, zweidimensionale Informationen liefern. Einen detaillierten Einblick in die Verteilung bietet die Röntgen-Mikrotomografie, deren Einsatz bereits eine Reihe wesentlicher Erkenntnisse in diesem Zusammenhang erbracht hat. / Suspensions of magnetic nanoparticles – commonly called ferrofluids – are nowadays widely used in technical applications. Parallel to this development, it has been discussed for a long time whether these fluids could be used in cancer treatment. In this context, animal experiments have shown that there are still a number of fundamental questions to be clarified before proceeding to clinical tests. One of these points concerns determination of the biodistribution of the magnetic particles, both in the tumour tissue and in the organism as a whole. The standard determination method involves histological sections, but this provides only local, two-dimensional information. A much more detailed insight into the distribution of the particles can be obtained by means of x-ray microtomography, a method which has meanwhile already provided extensive and valuable information in this context.

La séparation magnétique est utilisée dans le domaine de la purification de l’eau. Des nanoparticules magnétiques fonctionnalisées ou nues sont en charge de capter un polluant ciblé puis sont enlevées de l’eau par l’application d’un champ magnétique. Nous avons montré que l’utilisation d’un ferrofluide aqueux classique constitué de nanoparticules d’oxyde de fer recouvertes par une double couche de surfactant d’acide oléique permet une adsorption efficace des cations métalliques (ion nickel Ni2+) puis leur enlèvement en utilisant des microparticules magnétiques. Nous avons montré que des interactions magnétiques suffisamment fortes entre les nanoparticules induisent une transition de phase colloïdale. Il existe trois régimes de captage qui dépendent de deux paramètres, le premier paramètre est lié à l’intensité du champ magnétique et le second est la concentration en nanoparticules. En présence de l’écoulement de la suspension des nanoparticules, le captage des nanoparticules est toujours régi par la concentration en nanoparticules et également par le nombre de Mason. Nous avons mené une expérience de captage des nanoparticules par un milieu poreux. L’efficacité de filtration est liée à la compétition entre les forces hydrodynamiques et magnétiques ainsi que de la séparation de phase au sein de la suspension. Les théories développées lors de ce travail sont en accord raisonnable avec les résultats expérimentaux et montrent l’augmentation de l’efficacité de captage des nanoparticules avec l’augmentation de l’intensité du champ magnétique et de la concentration en nanoparticules ainsi que la diminution de l’efficacité de captage avec l’augmentation du nombre de Mason. / Magnetic separation is used in the domain of water purification. In these systems, functionalized or bare magnetic nanoparticles are used to capture a target pollutant then they are extracted from water by an applied magnetic field. We have shown that a classical aqueous ferrofluid composed by iron oxide nanoparticles covered with an oleic acid double layer allows efficient adsorption of metallic cations (nickel ion Ni2+) followed by nanoparticle extraction with the help of magnetic microparticles. We have shown that strong enough magnetic interactions between nanoparticles can induce a colloidal phase transition. There exists three capture regimes which depend on two parameters, the first one is related to the magnetic field intensity and the second is the nanoparticle concentration. In the presence of the flow of nanoparticle suspension, the nanoparticle capture is always governed by the nanoparticle concentration and also by Mason number. We have carried out an experiment on nanoparticle capture in a porous medium. The filtration efficiency is related to the competition between the hydrodynamic and magnetic forces, as well as to the phase separation in the suspension bulk. The theories developed in the frames of this work show a reasonable agreement with the experimental results. They predict an increase of the capture efficiency with an increase of the magnetic field intensity and the nanoparticle concentration as well as a decrease of the capture efficiency with the growth of the Mason number.

Afin d'étudier la faisabilité du stockage des déchets radioactifs, l'Andra, (agence nationale française pour la gestion des déchets radioactifs) nous donne l'opportunité d'étudier la formation argileuse du Jurassique devant abriter le laboratoire de Meuse/Haute-Marne, à l'Est du bassin de Paris. Ces roches, datant du Callovien et du début de l'Oxfordien, sont des marnes plus ou moins grises formées d'un mélange d'argiles, de carbonate et de silt. Les échantillons, collectés régulièrement le long de la formation du Callovo-Oxfordien à partir de plusieurs forages verticaux et obliques, ont été le sujet d'une étude de minéralogie magnétique et une étude de la fabrique minérale replacée dans le cadre géographique, elle-même reliée à une étude du réseau poreux et de son anisotropie.<br /> L'étude de minéralogie nous aide à caractériser la nature des fractions para- et ferrimagnétique à l'origine de la susceptibilité et de la rémanence magnétique, qui varient en fonction de la concentration en argile/carbonate/silt, ces silts étant composés en partie de grains de magnétite détritique. Dans les niveaux les plus argileux (illites et smectites), la fraction ferrimagnétique est aussi composée de sulfures de fer authigènes, peut-être de greigite, qui acccompagnent les pyrites framboïdes omniprésentes. Cette fraction semble correspondre à la fraction de faible coercivité qui a été utilisée pour la ré-orientation des forages verticaux par rapport au Nord magnétique. La fraction de plus forte coercivité est composée des oxydes de fer détritiques, en accord avec la faible valeur de la rémanence naturelle. Ainsi, la coexistence dans la même roche sédimentaire de sulfures de fer et d'oxydes de fer doit-être reliée à des origines distinctes, plutôt qu'à des conditions variables de sédimentation ou de diagenèse. La préservation de ces espèces est attribuée à la très faible perméabilité que le sédiment a acquis après sa compaction.<br /> L'anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM) reflète l'organisation principalement planaire des minéraux argileux, et éventuellement la fabrique de forme de la fraction ferrimagnétique. Comme on s'y attend, l'axe court de l'ASM (K3) est vertical (perpendiculaire au litage) avec un degré d'anisotropie de 0,3% à 5%; et un axe long (K1) qui est constant en direction, autour de N-S dans les niveaux plus argileux et autour de NW-SE dans les niveaux plus silteux. L'origine de cette linéation magnétique peut venir soit d'une compaction anisotrope en direction du dépo-centre, soit, hypothèse que nous préférons, d'une orientation des particules parallèlement à la direction des courants venant du NE (Massifs Bohémien et Rhénan) ou venant du NW (massif Londres-Brabant) pendant la compaction. <br /> La fabrique minérale est comparée à l'anisotropie de la connectivité du réseau poreux dans des lithologies représentatives de la formation. Pour documenter l'anisotropie de connectivité, nous avons réalisé des injections au mercure sous haute pression parallèlement aux axes de l'ASM. Nous avons également réalisé des mesures d'ASM après imprégnation avec un ferrofluide sous différentes pressions, dans le but d'obtenir la forme du réseau poreux. A partir de ces données, nous tentons de proposer trois modèles de pore. Dans le premier modèle, valable pour les échantillons les plus silteux, des chemins verticaux semblent contrôler la connectivité. Le second modèle, correspond aux échantillons les plus carbonatés où la plus forte connectivité, parallèle au litage, est quasiment isotrope dans le plan de litage malgré des formes de pore anisotropes. Enfin dans le troisième modèle, porté par les échantillons les plus argileux et les plus imperméables au niveau du laboratoire Andra, la connectivité est également parallèle au litage, et, dans ce plan, le grand axe de conectivité est parralèle à la linéation magnétique.<br /> En conclusion, outre la modélisation pétrophysique du réseau poreux en relation avec la micro-texture de la roche, notre approche minéralogique nous aide à confirmer, et localement à affiner, la stratigraphie séquentielle de cette partie du Jurassique qui correspond à un épisode de refroidissement entre deux épisodes plus chauds marqués par des plateformes carbonatées. Notre approche minéralogique associée aux considérations de fabrique, nous aide à proposer un scénario original de dynamique des apports sédimentaires.

Ce manuscrit est consacré à l'étude de la morphologie et des propriétés physiques de deux fluides complexes : les ferrofluides et les mousses liquides. Dans un premier temps, nous abordons la structuration dans un système formé d'un ferrofluide et l'influence d'un champ magnétique sur le motif adopté. Ensuite, nous étudions les propriétés de mousses liquides magnétiques, en particulier la façon dont elles peuvent être pilotées par un champ magnétique. Puis nous considérons des expériences permettant d'étudier localement la rhéologie de fluides complexes. Enfin, nous étudions la mécanique des mousses liquide à l'échelle de le bulle : vibration d'un film de savon et élasticité d'une jonction entre films de savon.

Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Après une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation prétransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface,causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire a volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh-Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre!: le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.

Cette thèse est une étude expérimentale des transitions vitreuses de dispersions de nanoparticules magnétiques chargées (ferrofluides). - La transition vitreuse colloïdale, observée à forte concentration, conduit à un solide amorphe hors de l'équilibre thermodynamique. Les particules chargées sont alors en forte interaction, dans un potentiel dominé par les répulsions électrostatiques. Grâce aux propriétés originales des ferrofluides, nous considérons tous les degrés de liberté structuraux des particules. Ceux de position sont sondés par des mesures statiques et dynamiques de diffusion de rayonnement (rayons X et neutrons). Une dynamique vitreuse (non diffusive, vieillissante et intermittente) est observée à l'échelle nanométrique. En présence d'un champ magnétique, la structure des dispersions devient anisotrope, ainsi que la dynamique de translation des particules et son vieillissement. La dynamique de rotation des nanoparticules est sondée par des mesures de biréfringence magnéto-induite. Celle-ci se gèle à partir d'une fraction volumique qui dépend de l'intensité des répulsions entre particules. Son vieillissement est étudié sur des échelles de temps longues. Un âge effectif est introduit pour unir les propriétés de vieillissement à différentes concentrations. - A basse température, la dispersion gelée constitue un ensemble désordonné de spins géants, qui présente des analogies avec les verres de spins atomiques. En utilisant un magnétomètre SQUID, nous étudions la dynamique d'orientation de ces spins géants. Nous utilisons une méthode empruntée aux verres de spins pour extraire une longueur de corrélation dynamique; sa taille augmente au cours du vieilissement.

Cette thèse a pour objectif l’étude du comportement vibratoire des suspensions à joint de ferrofluide utilisées dans un nouveau type de haut-parleur. Le moteur de ce haut-parleur, conçu pour réduire les non-linéarités d’origine magnétique, permet l’utilisation de joints de ferrofluide comme alternative aux suspensions viscoélastiques traditionnelles : sous la forme de deux joints annulaires, ils réalisent la liaison entre la partie fixe et la partie mobile du système. L’originalité du travail présenté a trait aux forts niveaux du champ magnétique présent dans le haut-parleur et à la caractérisation en dynamique des joints en terme de masse, raideur et amortissement. La première partie est une analyse expérimentale de la raideur radiale statique d’un joint au sein d’un moteur magnétique. La connaissance de cette raideur est nécessaire pour dimensionner le guidage de l’équipage mobile. Elle est étudiée en fonction du volume et de la saturation magnétique du ferrofluide. Les résultats sont en bon accord avec les simulations. Dans une deuxième partie, nous présentons une étude expérimentale sur le comportement visqueux des ferrofluides en condition de cisaillement oscillatoire et sous champ magnétique homogène et stationnaire. Cette étude s’élargie dans la suite aux conditions magnétiques du moteur, où le champ n’est plus homogène. Les propriétés sont étudiées en fonction du volume, de la viscosité et de la saturation magnétique. Un modèle pour les pertes du haut-parleur est proposé en fonction des propriétés magnétovisqueuses du ferrofluide. / The aim of this thesis is the study of the vibratory behavior of ferrofluid seals suspensions used in a new type of loudspeaker. The motor of this loudspeaker has been designed to reduce magnetic nonlinearities and allows ferrofluid seals, as two annular seals, to be used as an alternative to classical viscoelastic suspensions. Seals serve as a link between mobile to fixed part of the system. The originality of this configuration is the presence of high level magnetic field in the loudspeaker, which require a dynamic characterization of seals in term of mass, stiffness and damping. First part of this thesis is an experimental analysis of static radial stiffness of one seal inside a magnetic engine. This parameter is necessary for centering the moving part. The influence of the volume and saturation magnetization of the ferrofluid are analyzed. There is a good agreement between experimental results and simulations. In the second part, an experimental study of the viscous ferrofluid behavior under an oscillatory shear excitation and homogeneous and stationary magnetic field is presented. It is then broaden to real non homogeneous loudspeaker motor conditions. The influence of ferrofluid seals volume, viscosity and saturation magnetization are analyzed. A model which depends on the magnetoviscous properties of the ferrofluid is suggested for the loudspeaker internal losses.

Le but de ce travail est d'établir les lois de comportement régissant l'écoulement de fluides magnétiques dans des capillaires et des milieux poreux et d'étudier les mécanismes de contrôle de ces écoulements par l'application d'un champ magnétique. Deux types de fluides magnétiques sont utilisés à cet effet: les ferrofluides et les fluides magnétorhéologiques (MR).<br />Le contrôle de l'écoulement est réalisé par l'effet du champ sur la surface libre ou sur la rhéologie de ces fluides et également par l'intermédiaire des forces magnétiques qui attirent le fluide dans les régions où le champ est le plus fort. On a établi les lois de comportement statique et dynamique de la surface d'un ferrofluide dans un capillaire en présence d'un champ magnétique homogène. Une diminution par un facteur deux du saut de pression sur le ménisque a lieu dans un fort champ longitudinal appliqué suivant l'axe du capillaire. La diminution du saut de pression dans un champ transversal induit un ralentissement de la pénétration capillaire du ferrofluide, ce qui permet de contrôler le temps de remplissage dans une plage de 60%.<br />On a généralisé le modèle de cisaillement simple d'un fluide MR, avec des agrégats en forme de chaînes, au cas d'un champ magnétique d'orientation quelconque par rapport à l'écoulement. Sur la base de ce modèle on a obtenu la dépendance théorique de la contrainte seuil dynamique en fonction de l'orientation du champ. Cette dépendance est utilisée pour calculer les profils de vitesse et les caractéristiques débit-pression dans des écoulements de Poiseuille d'un fluide MR dans des capillaires et des milieux poreux en présence d'un champ homogène d'orientation quelconque. Les courbes expérimentales débit-pression confirment bien la théorie et indiquent une possibilité d'augmenter la pression de trois ordres de grandeur.<br />On a appliqué un modèle d' écoulement biphasique pour simuler un blocage de l'écoulement d'un fluide MR dans un capillaire en présence d'une forte inhomogénéité de champ magnétique. Expérimentalement et théoriquement on a montré que la pression de blocage est à peu près 2 fois moins grande que la pression nécessaire pour relancer un écoulement bloqué.<br />Les résultats de ce travail forment une base théorique pour le développement de systèmes hydrauliques adaptatifs, et plus particulièrement de systèmes de vibroprotection.

La dispersion de nanoparticules de fer dans des métaux liquides à température ambiante (mercure et gallium) permet d'obtenir un liquide à la fois magnétique et conducteur. Ceci est réalisé par réduction électrochimique de suspensions colloïdales de nanoparticules d'oxyde de fer sur une électrode liquide. Les mécanismes intervenant dans la transformation électrochimique de particules chargées constituées de milliers d'atomes sont mal connus. Nous avons choisi ici de décrire la réactivité de nanoparticules à l'instar d'espèces ioniques électroactives en traitant d'abord l'approche de la particule chargée vis-à-vis d'une surface chargée et ensuite le transfert électronique entre la particule et l'électrode. Il a fallu dans un premier temps comprendre les mécanismes de charge et décharge des particules en fonction des conditions expérimentales de pH, de force ionique et de fraction volumique. Cela a été possible en couplant aux méthodes de titrations chimiques, les méthodes électrocinétiques et en utilisant les outils théoriques adaptés. Ensuite, l'association de la microscopie à champ proche, des techniques optiques (réflectométrie) et des mesures électrochimiques, réalisées sur des substrats métalliques solides de très faible rugosité, nous a permis d'interpréter les résultats obtenus sur électrode liquides (mercure) et d'envisager l'adsorption contrôlée des particules. Enfin, l'étude détaillée des transformations électrochimiques montre que sous certaines conditions, les particules gardent leurs propriétés de taille et de forme après avoir subi la réaction électrochimique justifiant leur utilisation dans la préparation d'un liquide magnétique conducteur.

Cette thèse a étudié de façon systématique les processus de la rupture et de la coalescence impliquant une interface liquide-liquide (gouttelettes) ou gaz-liquide (bulles) en présence ou pas d’un champ magnétique dans des dispositifs microfluidiques, à l’aide d’une caméra rapide. Les mécanismes de la rupture d’une interface ferrofluide sous différents champs magnétiques ont été étudiés et comparés. On a constaté que la structure morphologique et la vitesse d’amincissement du cou peuvent être contrôlées activement par la force magnétique. Ainsi, le volume et la fréquence de formation de gouttelettes de ferrofluide peuvent être pilotés aisément. La rupture de l'interface liquide-liquide a généralement conduit à la formation de gouttelettes satellites avec sa taille proportionnelle au nombre capillaire de la phase continue. La coalescence des gouttelettes ont aussi été étudiée avec l’analyse de l'évolution du cou reliant deux gouttelettes. Il a été constaté que la formation du pont ou du cou liquide pouvait se produire dans la gamme de l'ordre de dizaines de micromètres entre les bords d'attaque sous champ magnétique. L'inertie d’origine d'attraction magnétique sur des gouttelettes de ferrofluide devenait la force motrice pour la coalescence lors de la première étape au détriment de la force capillaire / This thesis systematically investigates the breakup and coalescence processes of the involved droplet (bubble) interface under magnetic field or not in two-phase microfluidic flow, by using a high speed digital camera. The whole breakup processes of ferrofluid interface under different magnetic fields were investigated and compared. It was found that the morphological structure and necking velocity of the interface can be actively controlled by the magnetic force. Thus the volumes and the formation frequencies of ferrofluid droplets can be actively adjusted. The breakup of Liquid-Liquid interface usually leads to the formation of satellite droplet with its size proportional to the capillary number of the continuous phase. The coalescences of droplets were investigated. The evolution of the neck connecting two droplets was analyzed. It was found that the formation of liquid bridge or neck could occurs with a visible gap in the order of tens of micrometers between the leading edges under magnetic field and the inertia of the ferrofluid originating from the magnetic attraction fields becomes the driving force at the initial stage of coalescence instead of capillary force