Un des plus importants objectifs de la microfluidique est le développement des laboratoires sur puce dont le but est de réaliser des microcanaux capables de contenir et d'automatiser des analyses biologiques et chimiques. Dans cette technologie, les gouttes constituent des microréacteurs mobiles, pouvant encapsuler les réactifs d'une analyse. Le succès des laboratoires sur puce bas'es sur les gouttes dépend du développement de techniques pour les manipuler. L'objectif de cette thèse est le développement d'une technique de manipulation de microgouttes avec un faisceau laser. En particulier, on utilise le chauffage produit par le laser pour modifier les écoulements en altérant localement les propriétés physiques des fluides. Dans le cas d'une goutte isolée, le chauffage induit un gradient de tension interfaciale, ce qui crée des écoulements thermocapillaires à l'intérieur et à l'extérieur de la goutte. Ces écoulements sont `a l'origine d'une force qui repousse la goutte du laser. Dans une première partie, cette thèse montre les mécanismes physiques derrière la création de cette force et l'utilise pour implémenter le tri ou la rétention des gouttes dans un écoulement externe. Dans une deuxième partie, les écoulements thermocapillaires sont modulés temporellement pour induire le mélange du contenu d'une goutte qui est tenue par le forçage laser. Le chauffage laser est finalement utilisé pour déclencher la déstabilisation d'un jet liquide dans une géométrie de ``co-flow''. Dans cette géométrie, un liquide est injecté à l'intérieur d'un liquide externe qui coule parallèlement. Le liquide interne forme un filet qui se case en gouttes de taille variée. Le laser, dont la puissance est modulée de manière sinusoïdale, est utilisé pour modifier la viscosité du liquide interne, ce qui induit une déstabilisation locale de l'écoulement. Ceci permet de contrôler la fréquence de formation des gouttes et en conséquence leur taille en fonction de la fréquence du laser.

Ces travaux de thèse présentent une étude du mécanisme de compatibilisation induit par des nanoparticules d’argile dans les mélanges de polymères en utilisant la rhéologie. Pour cela, de la montmorillonite, la laponite et l’halloysite, modifiées ou non, ont été ajoutées à des mélanges PMMA/PS. Les résultats de rhéologie linéaire en cisaillement ont montré que le mécanisme de compatibilisation, particulièrement le phénomène de coalescence, dépendait beaucoup de la localisation des nanoparticules. La montmorillonite modifiée, présente à l’interface entre les polymères, est la plus efficace à inhiber la coalescence et est aussi efficace qu’un copolymère à bloc de haute masse molaire. Ceci est particulièrement intéressant car les nanoparticules d’argile représentent un coût moindre comparé aux copolymères à bloc. Dans ces travaux, une attention spéciale a été portée aux relaxations présentes dans les mélanges. En utilisant la rhéologie linéaire en cisaillement, un effet Marangoni a été mis en évidence pour la première fois dans le cas de nanoparticules d’argile modifiées présentes à l’interface. Enfin, les mélanges soumis à un flux élongationnel puis relaxation ont montré que la relaxation des gouttes de phase dispersée après une importante déformation était plus rapide par ajout d’argiles dispersées dans la matrice et ralentie par des argiles mieux dispersées soit à l’interface, soit dans l’ensemble du mélange. / In this thesis, the compatibilization mechanism induced by clay nanoparticles in polymer blends was investigated using rheology. To do so, montmorillonite, laponite and halloysite, modified or not, were added to PMMA/PS blends. Linear shear rheology showed that the compatibilization mechanism, especially the coalescence phenomenon, was greatly influenced by the localization of clay nanoparticles. Modified montmorillonite, which was located at the interface, was shown to be the most efficient at inhibiting coalescence among clays and as efficient as a block copolymer with a high molecular mass. The latter is particularly interesting as nanoparticles are cheaper than block copolymers. In this work, special attention was given to relaxations happening in blends. Using linear shear rheology, Marangoni stresses due to a gradient in compatibilizer concentration at the interface was evidenced for the first time in the case of organically modified clay nanoparticles when located at the interface. Finally, submitting blends to elongational flow and subsequent relaxation showed that the relaxation of the droplets after high deformations was faster in the case of clays dispersed in the matrix and slowed down by the interfacial tension in the case of a better dispersion of clays at the interface or in the whole blend.

Placée sous le signe de la fragmentation liquide, cette thèse met l'emphase sur une série d'étapes pouvant, d'un film suspendu, mener à une assemblée de gouttes : déstabilisation, rupture puis fragmentation. Elle prend appui sur des expériences originales, analysées à l'aide de modèles à la portée générale. En guise de prologue, capillarité, cisaillement et viscosité sont discutées à travers l'étude de la déstabilisation Marangoni d'un filament d'huile visqueuse déposé à la surface de l'eau. La mise en mouvement du filament, pilotée par une différence de tensions de surface, produit une cascade critique auto-similaire, accélérée jusqu'à la dilution complète de l'huile, miscible à l'eau. Sur un film, l'effet Marangoni créé par un déficit localisé de tension de surface, dont le support (la température ou un soluté) diffuse, engendre sa déstabilisation, étudiée au deuxième chapitre. L'analyse linéaire exhibe une échelle de temps inertielle basée sur le cisaillement surfacique, sur laquelle s'établit un écoulement interstitiel, caractérisé expérimentalement. Le scénario introduit un nombre de Péclet, critère pour la rupture spontanée des films épais. Les conséquences sur la stabilité finale du film sont explorées au troisième chapitre, avec la revue des possibles régularisations. La dynamique de rupture est interprétée en termes de choc. Enfin, suivant la rupture d'un film en divers points, la collision de cylindres liquides est isolée en tant que mécanisme individuel de fragmentation. L'analyse détaillée de l'impact révèle la transition entre deux régimes, vers des gouttes de plus en plus fines / This thesis deals primarily with liquid films fragmentation. It consists, thanks to quantitative and original experiments, in the transformation of a free suspended film into a collection of droplets: destabilization, rupture, and fragmentation.In a prologue, notions of capillarity, momentum transfer and viscosity are introduced by the Marangoni-driven destabilization of a thin thread of viscous oil on water. The difference of surface tension feeds an accelerated, critical, self-similar cascade which ends up with the complete dilution of oil into water. When applied to a free film, the Marangoni effect driven by a localized deficit of surface tension, whose carrier (temperature or a solute) is diffusing into the liquid, destabilizes it (chapter two). The linear instability analysis points out the crucial role of an inertial timescale based on the surface shear stress. Experiments validate the prediction of an interstitial flow, which digs out the film in the case of a surface tension deficit. These observations offer new insights into a long-standing problem, namely the spontaneous nucleation of holes on planar liquid films.The third chapter investigates the consequences of the linear instability, as far as the film final stability is concerned, reviewing possible regularizations. The rupture dynamics is described within the framework of shocks. In the final chapter, the collision of liquid cylinders is identified as an individual mechanism for liquid fragmentation. The impact dynamics is analyzed, leading to two principal fragmentation regimes. The onset to the splashing one, which produces fine and fast droplets, is described

Le couplage entre processus physico-chimiques et le transfert de matière ou de chaleur peuvent donner lieu à des structures spatio-temporelles induites par des flux convectifs. Ces flux peuvent résulter de gradients de densité ou de tension superficielle et sont l'expression de la conversion d'énergie chimique en énergie mécanique. Quand la tension superficielle est à l'origine de ces mouvements, les effets correspondants sont connus sous le nom d'effet Marangoni. Ils jouent un rôle dans de nombreuses applications comme les procédés industriels d'extraction en amplifiant notablement la vitesse des processus de transfert. Les systèmes réels, trop complexes, doit être simplifiés par le développement de systèmes modèles afin d'établir au niveau fondamental la théorie sous-jacente à de telles dynamiques. Une succession de régimes dynamiques est observée lors de la dissolution d'une goutte de dichlorométhane (DCM) déposée sur une solution aqueuse de tensioactif (bromure de céthytriméthylammonium, CTAB). La succession remarquable de formes et de mouvements induits est déterminée par la concentration du tensioactif qui joue le rôle de paramètre de contrôle. A faible concentration en CTAB, un mouvement de translation ou des pulsations. Aux concentrations plus élevées, la goutte entre en rotation ou forme des structures polygonales. Bien que chimiquement simple, le système est complexe et implique plusieurs processus physico-chimiques : évaporation, solubilisation, transfert de tensioactifs, adsorption aux interfaces et agrégation. Les effets thermiques et de transport qui en résultent sont à l'origine des variations locales de tension interfaciale donnant lieu aux effets Marangoni. Nous nous sommes concentrés sur le comportement de la goutte quand la concentration en tensioactif conduit au régime de pulsation. Nous avons tout d'abord analysé le comportement de la goutte pendant la période d'induction qui précède le régime instable. L'analyse de la forme de la goutte corrélée à des mesures d'Imagerie par Vélocimétrie de Particules (PIV), ont montré que les flux créés par la dissolution du DCM limitent dans un premier temps l'adsorption du CTAB à l'interface eau/huile. L'instabilité ne démarre que lorsque la dissolution est réduite et que l'adsorption devient effective. La phase d'induction apparait comme une transition lente entre un coefficient d'étalement négatif (goutte ayant la forme d'une lentille) vers un coefficient d'étalement positif qui entraine l'expansion du film et les pulsations suivantes. Ces pulsations sont accompagnées par l'éjection de gouttelettes qui se forment à partir d'un bourrelet apparaissant au bord du film pendant la phase d'expansion. La rupture de ce bourrelet ressemble au phénomène connu sous le nom d'instabilité de Rayleigh-Plateau (RP). Cependant, la longueur d'onde caractéristique de formation des gouttelettes est deux fois plus faible que celle attendue dans le cas d'une instabilité de RP classique. L'origine de cet écart réside dans la modulation du bourrelet avant sa rupture. Cette modulation est en fait déterminée par des ondulations apparaissant à la surface du film et formant des rides en direction radiale. Ces rides pourraient être attribuées à un effet Marangoni thermique connu sous le nom d'instabilité de Bénard-Marangoni. Elles jouent également un rôle important dans la formation de la structure de démouillage hautement organisée décrite dans le dernier chapitre. L'ajout de CTAB dans la phase organique (goutte) donne lieu à des oscillations plus rapides qui, après une phase d'expansion de grande amplitude et l'éjection d'une couronne parfaite de gouttelettes, résultent lors de la phase de démouillage en une structure dont la forme rappelle une fleur. Une interprétation qualitative permettant d'identifier les principaux processus à l'œuvre et basée sur des mesures indépendantes de tension interfaciale apporte une explication des pulsations observées et de l'auto-organisation induite. / Far-from-equilibrium systems exhibit a wide variety of spatial and temporal patterns known as dissipative structures. The interplay between physico-chemical processes and mass or heat transfer can give rise to spatio-temporal structures induced by convective flows. These flows may result from density or surface tension gradients. They are the expression of the conversion from chemical into mechanical energy. When surface tension is the driving force, the corresponding effects are known as Marangoni effects. They are at play in numerous applications as extraction processes, oil recovery, and chemical reactors at all scales and noticeably modify transfer rates. The complexity of real systems deserves the development of model systems, essentials to settle, on a fundamental level, the theory governing the related dynamics. A succession of dynamical regimes is observed during the dissolution of a dichloromethane drop deposited on aqueous solutions of a cationic surfactant (cetyltrimethylammonium bromide, CTAB). The remarkable range of shapes and motion patterns that emerges is related to the surfactant concentration, which is used as a control parameter. For low surfactant concentrations, we observe translational motion and pulsations of the drop. At intermediate concentrations the drop transforms and starts to rotate. At higher concentrations polygonal shapes are observed. Although chemically simple and of easy implementation, the system is relatively complex and involves several processes: evaporation, solubilization, surfactant mass transfer, interfacial adsorption and self-aggregation. Thermal and transport effects induced are at the origin of local variations of interfacial tension leading to the Marangoni flows. In this thesis, we focused on the behavior of the dichloromethane drop when the aqueous surfactant concentration (0.5 mM) leads to the pulsating regime. At this concentration, we have first analyzed the behavior of the drop during the induction period that precedes the instable regime. Drop shape analysis, correlated to Particle Image Velocimetry (PIV) measurements, showed that dissolution flows initially hinder adsorption of CTAB at the water/oil interface. The instability is only triggered when dissolution is reduced and water/oil adsorption becomes effective. The induction period appears as a slow transition from an initial negative spreading coefficient (a lens shape drop) towards a positive spreading coefficient that triggers film expansion and following pulsations. These pulsations are accompanied by the ejection of smaller droplets which are formed from a toroidal rim that is created during the expanding phase of the drop. The break-up of this toroidal rim, resembles to what is known as the Rayleigh-Plateau (RP) instability. Nevertheless, the observed characteristic wavelength is a factor of 2 too small in respect to the classical RP instability. We have found the origin of this discrepancy in the fact that modulations that appear on the rim before it transforms into droplets are settled by deformations arising at the surface of the expanding film. They appear as wrinkles that form in the film and may be related to thermal Marangoni effects known as Benard-Marangoni instability. These wrinkles play an important part in the highly organized dewetting structure described in the last chapter of the thesis. The addition of CTAB also in the organic (drop) phase leads to faster pulsations which, after a very high amplitude expanding stage and the ejection of a perfect crown of droplets, result during the film receding stage in the formation of a pattern which symmetry is reminiscent of a flower. A qualitative interpretation aimed at identifying the main processes at play and based on independent surface tension data gives a consistent explanation of the observed pulsations and related self-organized patterns.

Les bactéries se répandent aux interfaces en formant des colonies, qui peuvent être considérées comme des suspensions denses actives. L'objet de cette thèse est le développement et l'analyse de modèles simples pour élucider le rôle des phénomènes physico-chimiques et passifs - tels que l'osmose, la tension de surface et le mouillage - dans l'expansion des colonies bactériennes aux interfaces solide/air. Les modèles sont basés sur une description hydrodynamique des couches minces de suspensions liquides, qui est complété par des processus bioactifs.Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l'expansion osmotique des biofilms. Dans ce mécanisme, la bactérie sécrète une matrice polymérique qui agit comme un osmolyte et entraîne un afflux d'eau, riche en nutriments, du substrat humide vers le biofilm. Nous avons constaté que la mouillabilité du substrat est une des déterminantes principales de la vitesse d'expansion du biofilm. En-dessous d'une mouillabilité critique l'expansion s'interrompt, bien que la colonie soit biologiquement active. Cependant, une légère réduction de la tension de surface et une amélioration de la mouillabilité qui en résulte suffisent à induire un étalement continu. Les bactéries peuvent activement contrôler la tension de surface par la production de bio-surfactants.Dans un deuxième temps, nous avons étudié l'expansion de colonies bactériennes aidée par des molécules biologiques tensioactives auto-produites. Dans ce mécanisme, des flux de Marangoni résultant d'une concentration non uniforme de molécules tensioactives aux bords de la colonie peuvent favoriser l'expansion coopérative et provoquer une instabilité de la forme axi-symétrique des colonies bactériennes. Notre modèle nous a permis de reproduire quatre modes de développement différentes, à savoir l'étalement arrêté et continu des colonies circulaires, l'étalement des colonies avec des bords légèrement modulées et la formation de doigts prononcés.Dans la dernière partie, nous avons fait un premier pas vers l'incorporation de la motilité actif des bactéries dans notre modèle et présentons donc un modèle phénoménologique pour un film mince active. / Bacteria colonise interfaces by the formation of dense aggregates. In this thesis, we develop and analyse simple models to clarify the role of passive physico-chemical forces and processes - such as osmosis, surface tension effects and wettability - in the spreading of bacterial colonies at solid-air interfaces. The models are based on a hydrodynamic description for thin films of liquid suspensions that is supplemented by bioactive processes.We first focus on the osmotic spreading mechanism of bacterial colonies that relies on the generation of osmotic pressure gradients. The bacteria secrete a polymeric matrix which acts as an osmolyte and triggers the influx of nutrient-rich water from the moist substrate into the colony. We find that wettability crucially affects the spreading dynamics. At low wettability, the lateral expansion of the colony is arrested, albeit the colony is biologically active. However, a small reduction of the surface tension and the resulting improvement of the wettability suffices to induce continuous spreading. This can, e.g., result from the production of bio-surfactants by the bacteria.Next, we study passive liquid films covered by insoluble surfactants before developing a model for the surfactant-driven spreading of bacterial colonies. In this spreading mechanism, Marangoni fluxes arising due to a non-uniform surfactant concentration at the edges of the colony drive cooperative spreading and may cause an instability of the circular colony shape. We find that variations in wettability and surfactant production suffice to reproduce four different types of colony growth, namely, arrested and continuous spreading of circular colonies, slightly modulated front lines and the formation of pronounced fingers.In the final part, we take a first step towards the incorporation of active collective bacterial motion in the employed thin-film framework and present a phenomenologically derived model for active polar films.

Au cours des dernières années, les exigences croissantes en matière de dissipation thermique à haut rendement pour la microélectronique, les engins spatiaux, les réacteurs nucléaires, etc., encouragent le développement d'échangeurs de chaleur de nouvelle génération. Le caloduc est l’un des équipements de refroidissement efficaces et potentiels. La plupart du transfert de masse et de chaleur se fait au niveau de la micro-région près de la ligne triple de contact (solide, liquide, vapeur), qui est essentielle à l'amélioration de la performance thermique du caloduc. Cette étude se concentre sur le processus d'évaporation de gouttes sessiles de deux nouveaux fluides de travail (solution binaire et nanofluide), qui possèdent une micro-région similaire à celle du caloduc. Le flux de Marangoni induit par le gradient de concentration et la conductivité thermique exceptionnelle devraient améliorer significativement le débit evaporé du mélange alcool-eau et du nanofluide de graphène, respectivement. Une combinaison de techniques acoustiques et infrarouges est développée pour suivre la variation de la concentration d'alcool pendant l'évaporation des gouttes des mélanges 1-butanol-eau et éthanol-eau. Selon l'observation du comportement d'évaporation à différentes températures du substrat, une série d'équations empiriques est suggérée pour prédire le taux d'évaporation de la solution binaire de 1-butanol-eau en considérant l'effet Marangoni thermal et solutal. De plus, l'effet de la PEGylation, de la concentration des nanoparticules et de la température du substrat sur l'évaporation de gouttes de graphène nanofluide est étudié par des méthodes microscopiques, optiques et infrarouges. Les résultats expérimentaux et l'analyse thermodynamique peuvent contribuer à la compréhension complète du mécanisme impliqué concernant les performances d'évaporation du nanofluide de graphène. / In recent years, increasing requirement in high efficient heat dissipation for micro-electronics, spacecraft, nuclear reactors etc., encourage the development of next generation heat exchanger. Heat pipe is one of potential effective cooling equipments and most of mass and heat transfer take place at micro-region near triple phase (solid, liquid, vapor) contact line of working fluid, which is essential to thermal performance improvement of heat pipe. This study focuses on the evaporation process of sessile droplets of two novel working fluids (binary solution and nanofluid), which possess similar micro-region to that in heat pipe. Concentration gradient induced Marangoni flow and exceptional thermal conductivity are expected to significantly enhance evaporation rate of alcohol-water mixture and graphene nanofluid, respectively. A combination of acoustic and infrared techniques is developed to track alcohol concentration variation during evaporation of 1-butanol and ethanol aqueous droplets. According to observation of evaporation behavior at different substrate temperature, a series of empirical equations is suggested to predict evaporation rate of 1-butanol-water binary solution droplet considering thermal and solutal Marangoni effect. In addition, the effect of PEGylation, nanoparticle concentration and substrate temperature on drop evaporation of graphene nanofluid are investigated by microscopic, optical and infrared methods. Experimental results and thermodynamic analysis can contribute to the full understanding of involved mechanism concerning evaporation performance of graphene nanofluid.

La thèse porte sur une nouvelle classe de polymères à architecture en brosse, synthétisés à l'échelle industrielle et utilisés comme additifs dans les suspensions colloïdales pour le couchage du papier. Le polymère en brosse contrôle la déshydratation et le séchage des suspensions ce qui permet d'obtenir des revêtements d'une qualité incomparable. L'objectif est de modéliser sur un plan fondamental le rôle fonctionnel des polymères en relation avec les performances en application. Dans une première partie nous étudions leurs propriétés physicochimiques, structurales et rhéologiques en solution en discutant les spécificités dues à l'architecture en brosse. Dans une seconde partie nous analysons à l'aide d'un dispositif expérimental original les propriétés de rétention d'eau apportées par les polymères. Dans une troisième partie nous étudions le séchage de suspensions de carbonate de calcium sur des substrats solides, qui conduit en général à des motifs hétérogènes dits en " anneau de café ". Nous avons découvert que les polymères en brosse à très faible concentration suppriment ces défauts de séchage de façon remarquable. Le nouveau mécanisme physique à l'¿uvre, que nous appelons effet Marangoni auto-induit, résulte des propriétés interfaciales des polymères et de leurs interactions spécifiques avec les particules de carbonate de calcium. Pour conclure nous établissons un lien entre les propriétés de rétention d'eau et l'inhibition des défauts de séchage. Nous démontrons alors le caractère générique de nos résultats en les transposant à une suspension biologique, le sang, où les polymères pourraient présenter un intérêt dans le traitement de pathologies cardiovasculaires. / This work focuses on a new class of bottlebrush polymers, synthesized on an industrial scale and used as additives in colloidal suspensions for paper coatings. The bottlebrush polymer controls the dehydration and drying of the suspensions, and leads to coatings of outstanding quality. Our aim is to model the functional role of these polymers from a fundamental perspective in relation with applicative performances. In a first part we study their physicochemical, structural and rheological properties in solution, emphasizing the specificities due to the brush architecture. In a second part we implement an original experimental setup to analyze the water retention properties brought by the polymers. In a third part we study the drying of calcium carbonate suspensions on solid substrates, which in general forms to heterogeneous patterns called “coffee-rings”. We discovered that at very low concentration, bottlebrush polymers remarkably suppress these defects. We call auto-induced Marangoni effect the new physical mechanism at work. It results from the interfacial properties of the polymers and their specific interactions with calcium carbonate particles. To conclude, we establish a link between water retention properties and drying defect inhibition. We demonstrate the generic character of our results which can be transposed to a biological suspension, blood, where these polymers could be of interest for cardiovascular disease treatment.

Le phénomène de dérive constitue un enjeu environnemental et sanitaire majeur lors de la pulvérisation de solutions phytosanitaires sur les surfaces agricoles. Sous l'action du vent, des gouttelettes peuvent dériver loin des champs ciblés et être source de pollution. Une stratégie pour limiter la dérive est de contrôler la distribution de taille des gouttes de spray, en réduisant la proportion de petites gouttes. Dans ce but, des additifs anti-dérives, tels que des émulsions diluées d'huile dans l'eau, ont été développés. Bien que largement étudiés, les effets de ces émulsions ne sont pas encore bien compris. L'objectif de cette thèse est d'élucider les mécanismes à l'origine de l'augmentation de la taille des gouttes de spray à base d'émulsions.La pulvérisation implique la fragmentation d'un flux de liquide par une buse hydraulique. A la sortie de la buse, une nappe libre de liquide est formée, puis déstabilisée en gouttes. Afin d'élucider les mécanismes à l'origine des effets anti-dérives des émulsions, nous étudions l'influence de ces émulsions sur les mécanismes de déstabilisation des nappes liquides. Une expérience modèle basée sur la collision d'une goutte de solution sur une cible solide est utilisée pour produire et visualiser des nappes liquides. Lors de l'impact, la goutte s'aplatit en une nappe qui s'étend radialement dans l'air, bordée par un bourrelet plus épais. Différents mécanismes de déstabilisation sont observés en fonction des propriétés des fluides. Une nappe d'eau pure s'étale radialement puis se rétracte par effet de la tension de surface ; simultanément, le bourrelet est déstabilisé en gouttes. Pour une émulsion diluée d'huile dans l'eau, le mécanisme de déstabilisation dominant est considérablement modifié: les nappes sont déstabilisées par la nucléation de trous qui perforent le film liquide lors de son expansion; les trous grandissent jusqu'à la formation d'un réseau de ligaments, qui est ensuite déstabilisé en gouttes.Une étude systématique de l'influence des paramètres physico-chimiques de l'émulsion, tels que la concentration en huile et la distribution de taille de gouttelettes d'huile, sur le mécanisme de perforation est conduite. Nous établissons une corrélation entre le nombre d'évènements de perforations observés dans les nappes modèles et la distribution de taille de gouttes de sprays formés avec des buses de pulvérisation agricoles. Ce résultat démontre la pertinence expérimentale de notre expérience modèle pour comprendre les mécanismes d'actions des formulations anti-dérives. Nous montrons ainsi que le mécanisme à l'origine de l'augmentation de la taille des gouttes de spray à base d'émulsion est un mécanisme de perforation.Pour comprendre les mécanismes à l'origine de la perforation, nous développons une technique optique permettant de mesurer le champ d'épaisseur de nappes liquides. Nous constatons que la formation d'un trou dans la nappe est systématiquement précédée par un amincissement local du film liquide. Nous montrons que cet amincissement est le résultat de l'entrée puis de l'étalement par effet Marangoni de gouttelettes d'huile à l'interface air/eau. L'amincissement du film liquide conduit in fine à sa rupture.Nous proposons un mécanisme de perforation en deux étapes: les gouttelettes d'huile (i) entrent à l'interface air/eau, et (ii) s'étalent à l'interface. La formulation de l'émulsion est un paramètre critique pour contrôler le processus de perforation. L'addition de sels ou de copolymères amphiphiles à des émulsions stabilisées par des tensio-actifs ioniques peut soit déclencher, soit inhiber le mécanisme de perforation. Nous montrons que l'entrée de gouttes d'huile à l'interface air/eau est l'étape limitante de ce mécanisme. Les interactions répulsives de nature stérique et/ou électrostatique entre les gouttelettes d'huile et l'interface stabilisent le film liquide, empêchant les gouttelettes d'entrer à l'interface, et ainsi inhibent le processus de perforation. / One of the major environmental issues related to spraying of pesticides on cultivated crops is the drift phenomenon. Because of the wind, small droplets may drift away from the targeted crop and cause contamination. One way to reduce the drift is to control the spray drop size distribution and reduce the proportion of small drops. In this context, anti-drift additives have been developed, including dilute oil-in-water emulsions. Although being documented, the effects of oil-in-water emulsions on spray drop size distribution are not yet understood. The objective of this thesis is to determine the mechanisms at the origin of the changes of the spray drop size distribution for emulsion-based sprays.Agricultural spraying involves atomizing a liquid stream through a hydraulic nozzle. At the exit of the nozzle, a free liquid sheet is formed, which is subsequently destabilized into droplets. In order to elucidate the mechanisms causing the changes of the spray drop size distribution, we investigate the influence of emulsions on the destabilization mechanisms of liquid sheets. Model single-tear experiments based on the collision of one tear of liquid on a small solid target are used to produce and visualize liquid sheets with a fast camera. Upon impact, the tear flattens into a sheet radially expanding in the air bounded by a thicker rim. Different destabilization mechanisms of the sheet are observed depending on the fluid properties. A pure water sheet spreads out radially and then retracts due to the effect of surface tension. Simultaneously, the rim corrugates forming radial ligaments, which are subsequently destabilized into droplets. The destabilization mechanism is drastically modified when a dilute oil-in-water emulsion is used. Emulsion-based liquid sheets are destabilized through the nucleation of holes within the sheet that perforate the sheet during its expansion. The holes grow until they merge together and form a web of ligaments, which are then destabilized into drops.The physical-chemical parameters of the emulsion, such as emulsion concentration and emulsion droplet size distribution, are modified to rationalize their influence on the perforation mechanism. We correlate the size distribution of drops issued from conventional agricultural spray with the amount of perforation events in single-tear experiments, demonstrating that the single-tear experiment is an appropriate model experiment to investigate the physical mechanisms governing the spray drop size distribution of anti-drift formulations. We show that the relevant mechanism causing the increase of drops size in the emulsion-based spray is a perforation mechanism.To gain an understanding of the physical mechanisms at the origin of the perforation events, we develop an optical technique that allows the determination of the time and space-resolved thickness of the sheet. We find that the formation of a hole in the sheet is systematically preceded by a localized thinning of the liquid film. We show that the thinning results from the entering and Marangoni-driven spreading of emulsion oil droplet at the air/water interface. The localized thinning of the liquid film ultimately leads to the rupture of the film. We propose the perforation mechanism as a sequence of two necessary steps: the emulsion oil droplets (i) enter the air/water interface, and (ii) spread at the interface. We show that the formulation of the emulsion is a critical parameter to control the perforation. The addition of salt or amphiphilic copolymers can trigger or completely inhibit the perforation mechanism. We show that the entering of oil droplets at the air/water interface is the limiting step of the mechanism. Thin-film forces such as electrostatic or steric repulsion forces stabilize the thin film formed between the interface and the approaching oil droplets preventing the entering of oil droplets at the interface and so inhibit the perforation process.

L'effet thermocapillaire (ou Marangoni) est la résultante mécanique d'un gradient de tension interfaciale induit par la présence d'un gradient de température sur une interface fluide. Il se manifeste par (i) la migration d'un objet fini (goutte, bulle) immergé, et (ii) une déflexion de l'interface. Sa nature interfaciale le rend particulièrement pertinent à petite échelle, notamment en microfluidique diphasique. Ce travail de thèse montre comment un effet thermocapillaire induit localement par chauffage laser peut être utilisé pour produire des composants optofluidiques élémentaires (vanne, aiguillage, échantillonneur), et en présente une étude quantitative. La déstabilisation d'un jet microfluidique forcée par laser, conduisant à sa rupture, est également présentée et caractérisée. Cette « boîte à outils » optique fournit ainsi une approche sans contact, pour produire et manipuler des gouttes en microfluidique digitale sans nécessité d'une microfabrication dédiée. Par ailleurs, afin de caractériser sur des temps longs les gouttes produites, et ainsi considérer des populations statistiquement significatives, un dispositif optoélectronique simple pour mesurer les gouttes et leur vitesse en temps réel a également été développé.

Le phénomène d'ébullition, d'un point de vue énergétique, présente un réel enjeu dans de nombreux domaines. Ce mémoire, à caractère expérimental, traite du cas d'une bulle de vapeur unique générée sous un élément chauffant, ce qui permet de maîtriser la croissance jusqu'à des tailles importantes. Deux techniques, optique (traitement d'image) et thermique (fluxmètre, thermocouples), sont mises en œuvre simultanément. La première partie du mémoire traite des transferts de chaleur et de masse dans le cas d'un liquide (FC-72) dégazé. L'influence de différents paramètres significatifs (puissance de chauffe, niveau de sous refroidissement, inclinaison) sur le phénomène d'ébullition est étudiée grâce à une expérimentation systématique. La dynamique de la bulle, dans la configuration retenue, est analysée et conduit à une loi de croissance en tn, où l'exposant « n » est uniquement fonction des paramètres thermiques. Le flux lié au changement de phase est quantifié et ne contribue que faiblement à l'amélioration des échanges de chaleur en ébullition. Il existe une corrélation évidente entre les transferts de chaleur et la fréquence d'émission des bulles de vapeur. L'augmentation de cette dernière améliore les transferts. La seconde partie du mémoire traite des écoulements de liquide autour de la bulle de vapeur. Ceux-ci, d'origine thermocapillaire (convection Marangoni), n'apparaissent que dans le cas d'un fluide non dégazé et résultent de la présence de gaz incondensables dissous dans le FC-72. Les différents régimes d'écoulement (stationnaire et oscillatoire) sont mis en évidence et la courbe limite de transition entre ces deux régimes est définie. Les différents résultats obtenus ont permis de valider l'utilisation du fluxmètre thermique, outil de mesure original.