Dans un contexte de limitation de la consommation en énergie fossile et de développement durable, les pompes à chaleur présentent un intérêt majeur. Les obstacles rencontrés, notamment le givrage compact, freinent leur utilisation. La mise en place de nouveaux matériaux, par exemple par des propriétés de mouillage particulières, est une voie innovante. L’étude des déplacements de gouttes et de ponts entre ailettes, par résolution des équations de Navier-Stokes, permet de comprendre localement les écoulements et de caractériser l'effet du mouillage (modèle numérique d'angle de contact) et du confinement. Plusieurs études ont été menées sur des gouttes et des ponts liquides, soumis à des écoulements sur parois inclinées, lors desquelles des comportements significatifs ont été mis au jour et permettent de mettre en place des solutions efficaces pour les enjeux industriels. Une approche des phénomènes de mouillage extrêmes (superhydrophobie) a été réalisée et montre leur intérêt d’un point de vue performance. En revanche, le coût nécessaire pour réaliser les simulations reste très important, et des pistes ont été abordées pour palier à cette difficulté. En parallèle, une méthode de changement d’état a été développée dans le code de calculs scientifiques Thétis pour prédire l'évacuation de la glace lors du dégivrage sur des géométries simples ou réelles. Cette approche originale basée sur la méthode Volume Of Fluid, dérivée de méthodes existantes en Front-Tracking, montre une faisabilité et une efficacité intéressante. / In a context of limiting the consumption of fossil energy and of sustainable development, heat pumps are of major interest. Some issues, including icing compaction, reduce its use. The introduction of new materials, including special wetting properties, is an innovative way. The study of displacement of drops and liquid bridges between fins, by solving the Navier-Stokes equations, allows us to understand local flows and to characterize the effect of wetting (numerical model of contact angle which depends on controlling the smoothing of Volume Of Fluid function) and of containment. Several studies have been conducted on the drops and liquid bridges submitted to flow on sloping walls, driving to significant behaviors. These studies can implement effective solutions to industrial difficulties. An approach to extreme wetting phenomena (superhydrophobicity) was performed and showed their interest to a good evacuation efficiency but also the cost to achieve the simulations. Several possibilities were discussed to overcome this difficulty. In parallel, a method of phase change was developed in the code of scientific computing Thetis to simulate the evacuation of ice during defrosting periods on simple geometries or more complex ones. An innovative approach based on Volume Of Fluid method, derived from methods available in Front-Tracking shows its feasibility and efficiency.

L'évaporation d'une goutte reposant sur un support plat semble être un système relativement simple à étudier et a fait l'objet d'études scientifiques depuis plus d'un siècle. Cependant, l'étude de l'évaporation de gouttes sessiles est toujours d'actualité aujourd'hui avec l'essor de nouvelles techniques de visualisation ou de l'apparition de nouveaux types de fluides complexes.Cette étude expérimentale sera focalisée sur deux aspects distincts :- L'étude sur l'évaporation de fluides purs permettra d'étudier la dynamique d'évaporation et les ondes hydrothermales qui apparaissent dans les gouttes de fluides volatils lors du changement de phase. L'influence du type de fluide (différents alcools et alcanes) et du niveau de gravité (terrestre, lunaire et martienne) seront étudiés. De plus, l'utilisation de différents niveaux de gravité permet de développer un modèle empirique afin de prendre en compte dans le modèle quasi-stationnaire limité par diffusion de la vapeur la convection naturelle qui augmente fortement le débit d'évaporation.- Si les fluides complexes présentent une dynamique de séchage similaire à celle des fluides purs, d'autres mécanismes entrent en jeux, comme la gélification, l'organisation des particules et l'apparition de craquelures (voir Figure 2). Le mouillage et les différents groupes fonctionnels graphés sur les particules seront étudiés en regard du motif final de craquelures. / Sessile droplets are widely found in day to day life: it might be a coffee spilt, rain onto a waterproof raincoat or again, water falling onto a cooking plate. However, despite the vast number of studies devoted to droplets for almost half a century, the fundamental phenomenon of the evaporation of sessile droplets is still a field that attracts a high level of interest due to its wide applicability and the development of new visualisation techniques or new types of complex fluids. This experimental study is focused two distinct aspects:- The evaporation of pure fluids has allow to study hydrothermal waves that appear in the droplets of volatile fluids during phase change. The influence of the type of fluid ---different alcohols and alkanes--- and the gravity levels ---Terrestrial, Lunar and Martian--- is investigated to have a better understanding of the flow motion inside droplet. Moreover, the use of different gravity levels allows to experimentally evidence the contribution of the atmospheric convective transport to sessile droplet evaporation. This investigation has allowed to develop an empirical model to take account of natural convection which greatly increases the evaporation rate in the quasi-steady diffusion-controlled evaporation model.- If complex fluids exhibit an evaporation dynamic similar to pure fluid, other mechanisms come into play, such as gelation, particles organisation and cracks formation. Wetting and different functional groups on the particles graphs will be studied in relation to the final pattern of cracks.

A l'échelle nanométrique, les solides peuvent changer de forme par diffusion de surface, et présentent alors des propriétés de mouillage qui s'apparentent à celles des liquides. Dans cette thèse, nous nous sommes plus particulièrement intéressés au comportement de mouillage des nano-solides sur des substrats nanopatternés, comportant par exemple des piliers ou des tranchées. Sur ces substrats, les nanoparticules (ou ilots) solides peuvent être multi-stables : c'est-à-dire qu'ils peuvent présenter plus d'un état localement stable. Comme les liquides, les solides ont été observés par exemple dans des états dits de Wenzel (pénétrant dans la structure du substrat) ou de Cassie-Baxter (ne pénétrant pas). Grâce à une combinaison de simulations Monte Carlo Cinétiques et de modèles analytiques, nous avons étudié la stabilité de ces états et leur dynamique de transition. Plus particulièrement, avons mis en évidence le rôle de la diffusion de surface et de la nucléation bidimensionnelle sur la dynamique de transition. Nous avons aussi montré que les contraintes élastiques augmentent la stabilité des états de Cassie-Baxter, et mènent à de nouveaux états, avec des morphologies asymétriques ou partiellement empalées dans les nanostructures. Finalement, nous avons proposé de contrôler les transitions de mouillage à l'aide de l'électromigration induite par un faisceau d'électrons. Nos résultats ouvrent la voie vers une nouvelle direction pour les investigations expérimentales / At the nanometer scale, solids can change shape thanks to surface diffusion and therefore display wetting properties that can be likened to those of liquids. This doctoral thesis intends to study particularly the wetting behaviour of nano-solids located on nanopatterned substrates, containing for instance pillars or trenches. Upon these substrates, solid nanoparticles (or islands) can be multi-stable – that is to say they can display more than one locally-stable state. Just like liquids, solids have been observed for example in the context of the so-called Wenzel state (penetrating the very structure of the substrate) and Cassie-Baster state (no penetration). By combining Kinetic Monte Carlo simulations with analytical models, we conducted a study on the stability of these states along with their dynamics of transition. In particular, we highlighted the specific roles that surface diffusion and bidimensional nucleation play in regards to the dynamics of transition. We also demonstrated that elastic constraints increase the stability of Cassie-Baxter states and lead to new states, with either asymmetric morphologies or morphologies that are partially impaled into the nanostructures. Last but not least, we proposed to control wetting transitions using the electromigration brought on by an electron beam. Our results pave the way for a new direction in the field of experimental investigations

Les fluides complexes tels que les gels, les pâtes ou les émulsions présentent une large gamme d'applications, tant dans la vie quotidienne que dans l'industrie. Parmi ces fluides, les fluides dits ”à seuil” se comportent soit comme des solides élastiques, soit comme des fluides nonnewtoniens selon la contrainte qu'on leur applique. Ces propriétés sont décrites par des lois phénoménologiques (telle que la loi d'Herschel Bulkley), bien que leurs origines soient encore mal comprises. Dans cette thèse, nous nous intéressons à la question des petites échelles, où la structure et les phénomènes interfaciaux jouent des rôles prépondérants dans les écoulements. Ce travail expérimental a été essentiellement mené sur du carbopol, un microgel de polymères et un fluide à seuil modèle. L'étude se concentre essentiellement sur trois points : – La caractérisation rhéologique et structurale des échantillons. L'accent est porté sur l'influence du protocole de préparation sur les propriétés des gels.– Le cas des écoulements confinés de fluides complexes. Ce travail met en évidence l'existence d'effets non-locaux aux échelles micrométriques, faisant intervenir une taille caractéristique interprétée dans le cadre du modèle de fluidité. – Les ascensions capillaires de fluides complexes, aux échelles millimétriques. En revisitant l'expérience classique des ascensions capillaires dans le cas des fluides complexes, cette étude propose une extension de la loi de Jurin au cas des fluides à seuil. Il est montré que cette expérience simple permet de mesurer la tension de surface et quelques paramètres rhéologiques de fluides complexes tels que le seuil et l'exposant d'Herschel-Bulkley / Complex fluids such as gels, pastes or emulsions have a wide range of applications, both in everyday life and in the industry. Among them, Yield Stress Fluids (YSF) behave either as solids or as non-Newtonian fluids depending on the shear stress applied. These features are modeled by phenomenological laws ( such as the Herschel-Bulkley one ) although their origins are still poorly understood. In this thesis, we focus on the issue of small lengthscales where the structure and interfacial phenomena play predominant roles in the flows. This experimental work was essentially carried out on carbopol, a polymer microgel and a model YSF. The study mainly focuses on three points : – The rheological and structural characterization of the samples. The emphasis is put on the influence of the preparation protocol on the microgel properties. – The case of confined flows of complex fluids. This work highlights the existence of nonlocal effects at the micrometer scales, involving a characteristic length, interpreted in the frame of the fluidity model. – Capillary ascents of complex fluids, involving millimeter scales. This work suggests an extension of Jurin’s law to the case of YSFs. It is shown that this simple experiment allows to measure the surface tension and some rheological parameters of complex fluids such as the yield stress and the Herschel-Bulkley exponent

La compréhension des écoulements biphasiques dans des milieux hétérogènes est déterminante pour un certain nombre de processus industriels. Le plus marquant étant la récupération assistée du pétrole piégé dans des roches poreuses,qui est un moteur pour la recherche dans ce domaine depuis plusieurs décennies.Pourtant, si l’imbibition spontanée de liquides dans un milieu poreux est relativement bien comprises, l’imbibition forcée d’un liquide dans un milieu poreux rempli d’un liquide plus visqueux n’a pas encore été décrite quantitativement. En combinant des expériences de microfluidique et d’imagerie confocale, nous avons étudié la morphologie et la dynamique d’imbibition forcée dans des milieux poreux réguliers. Nous avons mis en évidence la présence de quatre régimes d’imbibition,provenant de dynamiques d’invasion différentes à l’échelle du pore et ayant une signature claire sur les observables macroscopiques. L’étude de la dynamique locale associée à la microscopie confocale, qui donne accès à des informations tridimensionnelles,nous a permis de montrer que les transitions entre ces régimes étaient la conséquence de deux transitions de mouillage et d’une instabilité d’interface.De plus, contrairement à la majorité des études menées jusqu’à présent, nous nous sommes intéressés à l’évolution de ces motifs d’imbibition soumis à une injection continue sur des temps longs devant le temps de percolation. Cela a permis de mettre en évidence le vieillissement de ces motifs qui est le résultat d’un mûrissement d’origine capillaire. / Understanding two-phase flow in heterogeneous media is of great importance for a number of industrial processes. One of the most prominent examples is enhanced oil recovery which has driven fundamental and applied research in this fieldfor decades. However our understanding has remained extremely unbalanced. The case of spontaneous imbibition of a fluid in a porous medium is fairly well understood,whereas quantitative descriptions of forced imbibition in the presence of anunfavorable viscosity ratio is still lacking. Combining large-scale observations and confocal imaging of microfluidic experiments, we studied the morphology and dynamicsof forced imbibition in homogeneous porous media. We identify four classesof three-dimensional patterns resulting from different dynamics at the pore-scale, and having a clear signature on the macroscopic observables. By means of confocalmicroscopy allowing us to visualize three dimensional features of the local dynamics,we show that the transitions between the four imbibition scenarios result from two dynamical wetting transitions and one interfacial instability. In addition,unlike previous studies, we investigate the evolution of those patterns undercontinuous injection over long time scales. We evidence their aging according to acapillary-coarsening process.

Cette thèse met en évidence différents effets géométriques intervenant dans des phénomènes de mouillage. La première partie est dédiée à l'élaboration d'un modèle d'interactions dans le liquide permettant de déterminer, à partir de la géométrie de l'interface, la distribution des forces capillaires à l'échelle moléculaire. Nous proposons dans ce cadre une interprétation de la construction d'Young en tant qu'équilibre des forces dans un coin de liquide. Ce modèle est ensuite appliqué dans la deuxième partie à diverses situations mettant en jeu la capillarité aux échelles moléculaires. La tension de ligne est étudiée grâce à des simulations de dynamique moléculaire et une interprétation géométrique du phénomène est présentée. L'existence d'un film de prémouillage est prédite lors de la saturation du phénomène d'électromouillage. Ce modèle fait en outre ressortir une distribution des forces tout à fait particulière dans un solide au voisinage de la ligne de contact, dont les effets ne sont visibles que lorsque le substrat est déformable. Ainsi, une confirmation expérimentale de l'existence d'une pression de Laplace supplémentaire lorsqu'un solide est immergé est apportée. Nous étudions ensuite l'influence de la mouillabilité du liquide sur le fléchissement et le flambage d'une plaque élastique sous l'effet de cette distribution de forces capillaires. Pour finir, la transition de démouillage dynamique par entraînement d'air est examinée, et nous mettons en évidence le rôle crucial de la dissipation dans l'écoulement de l'air lorsque celui-ci est entraîné et confiné sous le liquide.

Dans cette étude, l’intérêt est porté sur l’effet des conditions opératoires sur l’enrobage en voie sèche de grosses particules « hôtes » par de fines particules « invitées » et aussi sur la modélisation de cet enrobage selon la méthode par éléments discrets (DEM) afin de mieux comprendre les phénomènes mis en jeu. Dans ce travail, les matériaux choisis comme particules hôtes sont les Suglets® et les particules invitées sont en stéarate de magnésium (StMg). Ces deux éléments sont introduits dans un mélangeur à fort taux de cisaillement, le Cyclomix. Les propriétés du produit final, comme la coulabilité, la mouillabilité et le degré d’avancement de l’enrobage, ont été caractérisés. La variation des propriétés est étudiée en fonction de la durée de traitement dans le Cyclomix pour diverses vitesses de rotation, taux de remplissage et rapport de taille de particules hôte et invitée. La coulabilité a été améliorée avec la durée du mélange ou la vitesse de rotationLe degré d’avancement présente une tendance semblable pour différentes conditions opératoires. Sa variation est représentée par une loi exponentielle empirique en fonction du temps de mélange, paramétrée par une constante ajustable. Cette constante permet d’estimer l’efficacité de l’enrobage. La simulation des mouvements de particules dans le mélangeur par DEM a permis d’obtenir des informations sur la position, la vitesse des particules, et d’autres paramètres énergétiques. Les champs de vitesse réelle ou numérique liés aux mouvements de particules, analysés par PIV (Particule Image Velocimetry), sont analogues. La constante d’enrobage dépend de la vitesse de rotation simulée et peut être ainsi prédite par DEM. / Investigations of the effect of the operating conditions on the dry coating and the motion of particles in a high shear mixer by the DEM simulation have been done. Big Suglets® and small Magnesium Stearate materials have been chosen for the dry coating process. The treatment has been carried out in a Cyclomix, a high shear mixer, at different mixing time, rotational speeds, filling ratio of the samples and particle size ratio to observe the effect of the operating conditions on the dry coating. A conversion ratio has been introduced to quantify the degree of coating and measured. The flowability has been improved when increasing the operation time in the mixer. Higher speeds of rotation can improve the flowability more rapidly. However, the flowability doesn’t seem to be sensitive to the filling ratio. The curves of conversion ratio versus time exhibit the same kind of variations for different operating conditions. It is possible to approximate this tendency by an exponential function in which a characteristic parameter “coating rate constant” is introduced, linked to the efficiency of the dry coating process, since the conversion ratio shows a linear relation with a flowability index and the wettability angle. Simulation of the particle motion in the mixer has been carried out by a Discrete Element Method: different parameters characterizing the location, the velocities, and the attachment of the particles have been derived. The velocity fields of the real and simulated particle motions, compared by Particle Image Velocity (PIV), are quite similar, validating the DEM method and allowing the prediction of the coating process.

Élaborer ou structurer des matériaux à l’échelle nanométrique permet d’aborder une physique nouvelle mais également de réaliser des dispositifs fonctionnant sur des principes originaux utilisées dans divers domaines (médecine, énergie, électronique, optique, catalyse..). Ce travail porte sur l’étude de l’assemblage des nanoparticules d’or colloïdales (NPs) en structures d’agrégation mésoscopiques, assisté par le séchage des fluides complexes et de leur manipulation par Microscope à Force Atomique (AFM) sur des surfaces modèles. Une première partie présente la synthèse des NPs d’or et des surfaces moléculaires auto-assemblées sur des substrats rigides. Ensuite, l’étude de la formation des structures d’agrégation assistée par le mouillage et le séchage des fluides complexes ( NPs et polysaccharide) sur des surfaces moléculaires a permis de mettre en évidence le rôle crucial du couplage entre les propriétés de volume singulières de ces fluides, et celles de surface du substrat dans la formation de structures d’agrégation complexes (fractales, et dendrites en particulier). Dans un troisième temps, les travaux abordent à l’étude et la compréhension du vieillissement (dégénérescence et reconstruction) des structures mésoscopiques élaborées. Entre autres résultats, ces travaux ont mis en évidence la nature ‘diffusionnelle’ de la dislocation des structures, laquelle se traduit par la mobilité d’agrégats nanoparticulaires en surface. Afin de mieux appréhender cette problématique de mobilité individuelle et/ou collective (cluster) des NPs, une étude détaillée basée sur la manipulation des NPs par AFM en mode Tapping a été réalisée. L’ensemble des résultats obtenus au cours de ce travail de thèse a permis d’une part, i) de proposer de nouvelles approches d’assemblage de macromolécules et de particules, assisté par les phénomènes de mouillage, ii) de comprendre les mécanismes à l’origine de la formation de ces structures d’agrégation complexes (fractales compactes et fibrillaires) sur des substrats homogènes et hétérogènes, et d’autre part, iii) de contrôler la stabilité et le vieillissement de ces structures d’agrégation complexes en vue d’une validation de la fiabilité éventuelle de nanomatériaux issus d’assemblages à base de NPs. / This work deals with the study of the drying-mediated assembly of colloidal gold nanoparticles (Au NPs) in mesoscale aggregation patterns and their manipulation by atomic force microscopy (AFM) on model surfaces. The assembly of NPs in mesoscale and complex aggregation patterns assisted by the wetting and the drying of complex fluids (suspensions of NPs, NPs/biopolymers mixed solutions) on homogeneous and heterogeneous molecular surfaces was studied. This issue is important, both for understanding fundamental processes of self-organization, and for generating new functional mesostructures. The drying of complex fluids often leads to the emergence of highly complex aggregation structures as shown and discussed in this work. The richness and the aesthetics of these complex structures generated by these interfacial phenomena reflect not only the bulk properties of fluids (different sizes and lengths- scales, kinetic changes in state), but more importantly, the coupling between the fluid properties and those of the substrate surface (wetting interactions, confinement, hydrodynamics). In the case of two important heterogeneous fluids which are Au NPs and polysaccharide solutions, these drying-mediated structure formation lead to the genesis of unusually large and highly ramified dendrites aggregation patterns. The growth mechanism and the critical parameters that control the morphogenesis of these complexes structures are addressed in this work. In addition, the aging mechanisms and kinetics of these structures that are metastable and evolve either through direct dislocation via clusters NPs mobility on the surface, or through undulation-induced roughning of the dendrite branches. To better understanding this NPs mobility and thus the dislocation mechanism of the aging, a detailed study based on the manipulation of NPs by atomic force microscopy in tapping mode (AFM) was developed. The threshold dissipated energy to manipulate (move) the NPs can be quantified according to the intrinsic parameters of the particle (size, shape, and chemical nature), the chemical nature and topography of the substrate, and finally the operating and environment conditions. This work enabled us to understand the mechanisms and characterize the critical parameters that may intervene in the dislocation (aging) of NPs-based functional structures, depending on the nature of the environment liquid and the substrate. Finally, this work proposes an approch of evaluation and of monitoring the stability and the aging of these aggregation structures, in particular, those formed from the drying of films and drops of nano-particles solutions (metal nanoparticles, blood: proteins, viruses ...).

Ce travail de thèse a eu pour objectif de développer de nouvelles méthodes de dépôts et de formation de motifs pour mieux contrôler l'organisation de molécules d'intérêt biologique sur des substrats solides.<br />Dans la première partie du manuscrit, nous présentons une méthode originale, la micro-aspiration, permettant de réaliser des assemblages réversibles de canaux microfluidiques sur un substrat et servir à guider les liquides. Nous avons étudié les propriétés de ces systèmes avec des modèles physiques simples et appliqué ces phénomènes à la micromanipulation de liquides, le dépôt de protéines à diverses concentrations sur un substrat, la fabrication de motifs de polymères, nanoparticules, gels, etc.<br />Dans la seconde partie, nous avons exploré des nouvelles méthodes de dépôt de films de phospholipides multicouches sur des substrats solides et les avons appliqués à la fabrication de vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. Tout d'abord, l'adaptation de techniques conventionnelles (micro-contact printing, moulage, etc.) a permis d'obtenir des motifs de phospholipides de taille micrométrique. Les dépôts ont ensuite été réalisés par retrait d'un ménisque en situation d'évaporation (assemblage capillaire). Nous avons identifié deux régimes de dépôt en fonction de l'importance relative des forces visqueuses et de l'évaporation, permettant un contrôle de l'épaisseur du film jusqu'à 200 nm à la bicouche près. L'émergence d'instabilités de mouillage ou le guidage sur micro-structures ont permis en outre de réaliser des motifs variés. En utilisant des substrats comme électrodes, ces différents niveaux d'organisation ont permis d'obtenir par électroformation des vésicules unilamellaires géantes de taille contrôlée. L'ensemble de ces travaux ouvre de nouvelles voies à la réalisation de surfaces et de motifs micrométriques d'intérêt biologique.

La taille finie des nanoparticules leur confère des caractéristiques spécifiques, tant en surface qu'en leur coeur. Dans ce contexte, nous avons étudié la thermodynamique des agrégats bimétalliques à l'aide d'un modèle d'Ising traité par simulations Monte Carlo et également dans l'approximation de champ moyen. Nous avons considéré le système Cu-Ag, prototype des systèmes à forte tendance à la démixtion. Pour un cuboctaèdre de quelques milliers d'atomes, les simulations Monte Carlo ont montré que les différentes facettes de la surface sont le lieu d'un équilibre dynamique à suffisamment basse température. Ainsi, au sein d'un même agrégat, nous prédisons la coexistence de facettes (100) riches en cuivre et riches en argent, ce résultat s'étendant aux facettes (111) et mêmes aux arêtes. Un équilibre dynamique similaire est également observé pour les couches de coeur, équivalent de la démixtion pour le système infini. L'étude de la chaîne linéaire nous a permis de déterminer les facteurs régissant la compétition entre le mouillage (enrichissement en Ag partant de la surface et gagnant progressivement le coeur) et l'établissement d'un équilibre dynamique initié au coeur. L'influence de la taille de la chaîne sur cette compétition a été spécialement étudiée, ce qui conduit à l'ébauche d'un diagramme de phase de milieu fini intégrant la ségrégation superficielle. Nous avons complété cette étude sur réseau par la prise en compte des relaxations atomiques, via un potentiel interatomique à N-corps, dans le cas de l'icosaèdre. Nous illustrons les effets des contraintes propres à cette structure, qui se manifestent par de fortes hétérogénéités de compositions intra et inter couches.