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.

Nous avons étudié la friction de SBR (Styrene Butadiene Rubber) fondu sur des surfaces de faible rugosité portant des chaines ancrées de SBR, par mesures simultanées de la vitesse locale à la paroi (techniques de vélocimétrie laser par photolyse, mises au point au laboratoire pour des écoulements Couette-plan) et de la contrainte transmise. Le SBR est très enchevêtré par rapport aux études précédentes : ceci entraîne que les taux de cisaillement accessibles dans la fenêtre expérimentale peuvent être supérieurs à l'inverse du temps de reptation des chaines. Afin d'obtenir des surfaces avec des chaines de longueur et de densité contrôlées, nous avons d'abord utilisé des SBR fonctionnalisés monochlorosilane. Cette voie n'a pas abouti en raison d'impuretés résiduelles de synthèse créant des défauts dans les couches. Nous avons alors adsorbé des copolymères diblocs SBR-PDMS dont le bloc PDMS court s'adsorbe plus fortement a la surface que le bloc SBR. Dans toutes les expériences de friction sur des surfaces portant des chaines de SBR, nous avons observé le passage progressif d'un régime de glissement faible vers un régime de glissement fort en fonction du taux de cisaillement. Nous avons observé de manière quasi systématique un blocage de la contrainte sur une large gamme de vitesses de glissement, d'où une friction non linéaire, correspondant à la plage des vitesses de la transition faible -- fort glissement. La comparaison avec les modèles de Brochard-de Gennes ou d'Ajdari et al. reste qualitative compte tenu du nombre restreint de couches contrôlées, mais ces transitions de glissement et le blocage de contrainte correspondent bien an mécanisme d'étirement progressif et d'extraction des chaines ancrées en surface.

La propagation d'ondes sonores dans des empilements granulaires présente des comportements originaux et mal-élucidés liés à l'aspect divisé de ces matériaux. Ceux-ci se comportent notamment comme des milieux désordonnés et non-linéaires. Notre étude est originale car nous employons des grains photoélastiques. Couplés à une caméra rapide, nous visualisons le champ de déformation associé à la propagation de l'onde sonore. Nous abordons d'abord le cas de l'empilement le plus simple : une chaîne unidimensionnelle de grains cylindriques en contact. Nous étudions la propagation d'impulsions sonores dans les deux cas où leurs amplitudes sont petites (régime linéaire) ou grandes (régime non-linéaire) devant la force de confinement statique appliquée à la chaîne. Dans le premier cas, nous observons l'effet des imperfections de surface des grains sur la vitesse des ondes. Nous constatons aussi que la dissipation est essentiellement due au frottement solide. Pour les grandes amplitudes, l'impulsion initiale se décompose en un train de pics d'amplitudes décroissantes, de largeurs comprises entre 3 et 4 grains et de vitesses supersoniques. La vitesse du pic principal, adimensionnée par la vitesse du son linéaire, ne dépend que du rapport entre l'amplitude de l'onde et la force statique. Ces observations sont interprétées en généralisant les résultats de Nesterenko. Nous présentons ensuite le cas des empilements bidimensionnels. Les ondes linéaires se propagent dans les chaînes de forces et leurs vitesses croient avec la force statique. Elles restent cependant toujours inférieures à celles mesurées à 1D. Cela suggère que la dynamique de l'onde le long d'une chaîne de force est influencée par les contacts latéraux à cette chaîne de force.

Ces travaux de thèse ont pour but d'étudier l'état de dispersion de particules colloïdales dans des cristaux liquides nématiques lyotropes. Ces solvants organisés sont constitués de micelles nanométriques anisotropes. Dans un premier temps, nous montrons qu'il est possible de réaliser des suspensions cinétiquement stables en jouant notamment sur la forme des inclusions micrométriques. Un modèle, développé dans le cadre de cette étude, permet de rendre compte de nos observations. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'influence de la diminution de taille de particules sur l'état de dispersion du système. A l'échelle nanométrique, le mouvement brownien, anisotrope dans ce type de milieu, semble gouverner les phénomènes observés.

L'orsqu'une émulsion est cisallée, ses gouttes se déforment et si l'intensité du cisaillement appliqué est suffisante, elles se fragmentent en plusieurs gouttelettes. Le travail expérimental présenté dans ce mémoire est focalisé sur la fragmentation des émulsions dans un écoulement de cisaillement simple. Les influences des paramètres physico-chimiques suivants sont déterminées et analysées : temps de cisaillement, nombre capillaire, histoire de l'écoulement, polydispersité de l'émulsion, gradient de cisaillement, contrainte visqueuse, rapport des viscosités des phases interne et externe et équation rhéologique d'état de l'émulsion. Ces différentes études mettent en évidence que la fragmentation d'une émulsion polydisperse conduit quasi instantanément à une émulsion calibrée lorsque le cisaillement imposé est intense et la taille initiale des gouttes très grande devant la taille finale. Le scénario de fragmentation mis en jeu est le suivant : les gouttes de l'émulsion initiale se déforment de façon à atteindre des filaments de même rayon.....

Dans une première partie de ce travail, nous avons étudié l'effet de la longueur de la chaîne alcoxyle et la position du fluor sur les propriétés physiques et sur la séquence des phases d'une nouvelle série monofluorée de CL. Les résultats montrent que la phase SmC*A est déstabilisée, une augmentation de la plage d'existence de la phase SmC*alphha pour les chaînes de longueurs moyennes alors que pour les courtes chaînes seule la phase SmA est présente. Par ailleurs, l'étude du comportement du mode mou à basse fréquence combiné avec les résultats électriques et optiques nous ont permis d'établir le diagramme de phase (E, T) d'un composé choisi. Ce qui nous a permis de situer les phases de base et celles induites par le champ et de mieux interpréter le nombre de pics obtenu dans les expériences d'électro-optique. Dans une deuxième partie, Nous avons étudié des composés présentant une haute chiralité et des molécules suffisamment allongées qui conduisent, la plus part du temps aux deux phases L et SmQ ou bien la phase SmC*A. La phase L est isotrope et présente un ordre chiral et smectique de courte portée et elle est dotée de PRO alors que la phase SmQ n'en présente pas à cause de son caractère uniaxe. Dans la phase SmC*A, les propriétés électro-optiques de la phase ferroélectrique induite sont de type super-paraélectrique déjà décrit dans les composés bananes. Dans une dernière partie, nous avons étudié la propagation de la lumière le long de l'axe hélicoïdal dans les phases SmC* et SmC*A. La décomposition du tenseur diélectrique dans une nouvelle base tensorielle nous a permis de retrouver les deux modes de propagation.

<div>Advances in modern research have unveiled numerous fundamental and practical benefits of studying the hydrodynamics of microorganisms. Many microorganisms, especially bacteria, actively search for nutrients via a process called chemotaxis. The physical constraints posed by hydrodynamics in the locomotion of microorganisms can combine with their chemotactic ability to significantly affect functions like colonization of nutrient sources. In this thesis, we investigate the interplay between hydrodynamics and chemotaxis toward dictating bacterial distribution around fluid-fluid interfaces, which often act as a source of nutrition. We approach our problem statements using mathematical models and numerical and/or semi-analytical tools. Our studies are particularly relevant in the context of hydrocarbon degradation after oil-spills.</div><div><br></div><div>We begin by showing that the flow generated by rising oil drops delocalizes dissolved nutrient patches in the ocean, and aids chemotactic bacteria in improving their nutrition (over non-chemotactic bacteria) by 45%. We then move from studying colonization of soluble nutrient patches to colonization around nutrient sources, e.g., oil drops, marine snow. Towards this, we first demonstrate the phenomenon of hydrodynamics-mediated 'trapping' of bacteria around oil drops and show that a surfactant-laden drop can retain an approaching bacterium on its surface for approximately 35% longer times than a clean drop. We also analyze hydrodynamic trapping of bacteria around settling marine snow particles and show how bacteria can collide with and colonize the marine snow, even when the latter moves 10 times faster than the former. In all the cases above, we show how the hydrodynamic interactions are complemented by chemotaxis to enable extremely effective bacterial foraging. We next explore how propulsion mechanisms of microorganisms affect their ability to form biofilms on fluid-fluid interfaces and unveil the hydrodynamic origins behind the tendency of flagellated bacteria to swim parallel to plane surfactant-laden interfaces. Finally, we summarize our results, identify further avenues of research and propose problem statements related to them.</div>

This thesis discusses the mesoscopic physics of two examples for soft condensed matter: (i) aeolian sand transport and the ensuing structure formation and (ii) solutions of stiff biopolymers. It emphasizes the impact of a heterogeneous mesoscale structure on the macroscopic phenomenology. For the aeolian sand transport, we start with a coarse-grained description of the collisions between mobile grains and the sand bed. Combining the collision geometry with basic physical principles, like momentum and energy conservation, we derive the full splash statistics as a function of impact velocity and impactor--bed grain-size ratio. This serves as a starting point for attacking the complicated transport statistics of wind-blown sand. Two approaches are proposed: first, a two-species approximation that distinguishes between high-energy rebounding grains and low-energy bed ejecta, second, a statistical description that resolves the full distribution of grain trajectories. While the former provides an ideal framework to accurately predict macroscopic averages, the latter resolves the heterogeneous mesoscale structure of the transport layer. Both approaches are shown to be in excellent agreement with various laboratory and field data. We moreover establish a new perspective on the transport's saturation transients that illustrates the crucial influence of the intermittent turbulent wind fluctuations in the field, thereby resolving a long-standing debate. Eventually, we address the formation of megaripples, an aeolian bedform that is made from strongly polydisperse sand. Combining our proposed theory with long-term field measurements, we clarify the importance of wind-driven sand sorting and, again, intermittent turbulent fluctuations. Our approach suggests to describe the megaripples as down-scaled dunes, as indeed support by various field data for their morphology and migration. In the second part of the thesis, we consider the mesoscale structure and its influence on the viscoelastic response of entangled biopolymer solutions. Their mechanics is determined by the topological entanglements of the filamentous polymers that cannot pass through each other. The tube model for semiflexible polymers represents this effect on a mean-field level, where test filament is confined to a tube-like cage formed by surrounding polymers. We employ it to investigate the solution's mesoscale packing structure and its change under finite shear deformations. Comparing our predictions with systematic computer simulations and experiments, we find the tube deformations to relax quickly after the deformation, while tube alignment and hairpin conformations are found to be long lived. In a second step, we propose a new perspective on the entangled solution's dynamics. Accounting for the nonaffine response at the level of the test filament, and assuming sticky or frictional polymer contacts, we argue that soft bending deformations of the filaments can couple to stiff axial stretching modes. This allows us to explain various experimentally observed similarities of the entangled solutions to crosslinked networks, like the increasing elastic modulus with increasing length and bending rigidity of the filaments or the softening--stiffening transition as a function of polymer concentration, polymer length, deformation rate, and various solvent properties.:I Aeolian sand transport and megaripple formation 1 Introduction 2 The splash process 3 Aeolian sand transport 4 Structure formation 5 Outlook Bibliography II Solutions of stiff biopolymers 6 Introduction 7 Entangled solutions 8 Viscoelastic response Appendix Bibliography Acknowledgments

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Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés dans la première partie aux instabilités dans les films minces de polymères. Sous champ électrique perpendiculaire à la surface, cette dernière devient instable lorsque la température du film mince est supérieure à sa température de transition vitreuse. Nous y étudions plus particulièrement l'influence des contraintes résiduelles à la fois sur le taux de croissance de cette instabilité et sur les longueurs d'ondes sélectionnées. Dans un premier temps, nous décrivons brièvement ce qui nous a poussé à considérer que le processus de fabrication pouvait entraîner des contraintes résiduelles. Nous détaillons aussi tous les éléments de notre modèle avec les hypothèses que cela engendre. Ensuite, plusieurs modèles rhéologiques sont considérés : modèle du solide élastique Néo-Hookéenne, modèle du solide viscoélasticité du type Voigt-Kelvin et modèle du liquide viscoélasticité de type Maxwell. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à la répartition de contre-ions autour d'un polyélectrolyte hydrophobe en mauvais solvant. Dans un tel solvant, ces polyélectrolytes prennent la configuration d'un collier de perles. Nous étudions le profil de densité des contre-ions autour d'une de ces perles. L'approximation des charges quasi- localisées nous permet d'obtenir des lois d'échelle entre le paramètre de couplage plasma et la charge effective du globule ou encore la longueur caractéristique de décroissance de la densité. Ces lois d'échelle sont validées via des simulations. Une approche semi-analytique (Density Functionnal Theory) permet de retrouver les profils de densité des contre-ions.