Interparticle interactions determine the microstructure, stability, rheology, and optical properties of concentrated colloidal suspensions involved in paint, paper, cosmetic, and pharmaceutical industries, etc. Frequency domain photon migration (FDPM) involves modeling the photon transport in a multiple scattering medium as a diffusion process in order to simultaneously determine isotropic scattering and absorption coefficients from measured amplitude attenuation and phase shift of the propagating photon density wave. Using FDPM, we investigated the impact of electrostatic interaction upon the optical properties and structure of dense charged suspensions. We demonstrated that electrostatic interactions among charged polystyrene latex may significantly affect the light scattering properties and structure of dense suspensions at low ionic strength (<0.06 mM NaCl equivalent) by actual FDPM measurement. We showed that the structure factor models addressing electrostatic interaction can be used to describe the microstructure of charged suspensions and quenched scattering due to electrostatics, and demonstrated that FDPM has the potential to be a novel structure and surface charge probe for dense suspensions. We also showed that the FDPM measured isotropic scattering coefficients may respond to the change in effective particle surface charge, and displayed the potential of using FDPM for probing particle surface charge in concentrated suspensions. We presented that the interference approximation implies a linear relationship between the absorption coefficient and volume fraction of suspension. We illustrated that FDPM measured absorption coefficient varies linearly with suspension volume fraction and affirmed the interference approximation from a perspective of light absorption. The validation of the interference approximation enables us to develop the methodology for estimating absorption efficiencies and imaginary refractive indices for both particles and suspending fluid simultaneously using FDPM. We further demonstrated a novel application of FDPM measured absorption coefficients in determining pigment absorption spectra, and displayed the potential of using FDPM as a novel analytical tool in pigment and paint industry.

La sédimentation des suspensions aqueuses de particules minérales microniques, polydisperses et concentrées a été analysée à l’aide du Turbiscan MA 2000 fondé sur la diffusion multiple de la lumière, en vue d’établir la procédure qui permet de déceler la présence d’une morphologie fractale, puis de déduire les règles de comportements des suspensions fractales par la modélisation avec les réseaux de neurones. Le domaine des interactions interparticulaires physicochimiques (0 à 10% volumique en solide) a été privilégié.La méthodologie de détermination de la structure multifractale des agglomérats et de la suspension a été proposée. La modification structurale des agglomérats qui est à l’origine de comportements non linéaires des suspensions et qui dépend des propriétés cohésives des particules primaires, est interprétée par la variation de la mobilité électrophorétique des particules en suspension. Une approche d’estimation de ces modifications structurales par les réseaux de neurones, à travers la dimension fractale, a été présentée. Les limites du modèle à assimiler ces comportements particuliers ont été expliquées comme résultant du faible nombre d’exemples et de la grande variabilité des mesures aux faibles fractions volumiques en solide. / The sedimentation of aqueous suspensions of micron-sized mineral particles, polydisperses and concentrated, was analyzed using the Turbiscan MA 2000 based on the multiple light scattering in order to establish the procedure to detect the presence of a fractal morphology, and then to deduce the set of laws of fractal behavior of suspensions by modeling with neural networks. The methodology for determining the multifractal structure of agglomerates and the suspension was proposed. The structural modifications of the agglomerates at the origin of the nonlinear behavior of suspensions and which depends on cohesive properties of primary particles, is interpreted by the change of the electrophoretic mobility of suspended particles. The estimation by neural networks of these structural changes, through the fractal dimension has been presented. The limits of the model to learn these specific behaviors have been explained as resulting from the low number of examples and the great variability in the measurements at low volume fractions of solid.

La diffusion multiple de la lumière(DWS) est une technique qui permet de sonder la dynamique interne de milieux opaques et concentrés à des fréquences élevées. Elle a été utilisée pour déterminer les propriétés viscoélastiques de ces milieux. Elle a l'avantage d'être non destructive, rapide et sensible. Ce travail a pour objectif l'étude des tissus biologiques mous par DWS. La première étape est la mise en place du dispositif expérimental. Afin d'évaluer les limites de la technique, des études successives ont été réalisées sur des matériaux de complexité croissante (une suspension, le lait et une mousse) tendant vers la complexité structurale des tissus biologiques. Pour la suspension et le lait, la théorie de DWS peut s'appliquer et permet de mesurer avec une bonne précision leur viscosité. Les limites de DWS pour évaluer la viscosité sont atteintes avec la mousse dont la structure complexe est proche de celle des tissus biologiques. Enfin, le cortex rénal, le parenchyme hépatique et le cerveau de porc ont été étudiés. La théorie appliquée pour les milieux précédents ne permet pas de remonter à leur viscosité. Mais la DWS a permis de suivre leur microstructure au cours de la déshydratation et de la dégénérescence. Pour tous ces milieux la répétabilité, la reproductibilité, la variabilité et l'effet des conditions expérimentales ont été évalués. La DWS pourrait être utilisée pour étudier l'effet de la température et de la congélation sur le spectre de DWS des tissus biologiques ou combinée à la rhéologie pour suivre l'évolution des spectres de DWS au cours d'un cisaillement / Diffusing Wave Spectroscopy (DWS) is a technique that allows to probe the internal dynamics of opaque media and concentrated at high frequencies. It has been used to determine the viscoelastic properties of these media. It has the advantage of being nondestructive, rapid and sensitive. This work aims to study soft biological materials by DWS. The first step is setting up of the experimental device. To evaluate the limits of the art, successive studies were conducted on materials of increasing complexity (a suspension, milk and a foam) tending to the structural complexity of biological tissues. Concerning the suspension and milk, two concentrated media, and mono-dispersed in which the particles are in Brownian motion, DWS allowed to measure with good precision their viscosity. The limits of DWS to evaluate the viscosity of the medium are achieved with the foam which the complex structure is similar to that of soft biological tissues. Finally, the renal cortex, the hepatic parenchyma and porcine brain were studied. The theory applied to previous media does not allow to calculate viscosity. But the DWS allowed us to follow their microstructure during dehydration and degeneration. For all these media, repeatability, reproducibility, variability and effect of experimental conditions were evaluated. The DWS could be used to study the effect of temperature and freezing on the DWS spectrum of biological tissues, or combined with rheology to monitor the evolution spectra DWS during shear