Le but de la thèse est de comprendre les mécanismes de localisation de particules (on parle de charges) dans des mélanges de polymères immiscibles. Ces travaux montrent que la localisation des charges de noir de carbone dans un mélange polypropylène (PP)/ poly-ε-caprolactone (PCL) est dominée par le rapport de viscosités et non par des paramètres thermodynamiques (liés au mouillage de la particule). La localisation des charges est expliquée par la compétition des forces de drainage visqueux s'exerçant sur les particules à l'interface. Le mécanisme de transfert des charges est mis en évidence par observation de la relaxation de gouttes de PCL chargées immergées dans une matrice PP. Le transfert se produit par un nouveau mécanisme, appelé " zip flow ", qui consiste à l'érosion des gouttes au niveau des pointes. La maîtrise des différents paramètres étudiés permet de localiser les particules sélectivement à l'interface et d'obtenir des propriétés de conductivité à faible taux de charges.

Ce document est consacré à l'étude de quelques écoulements de fluides complexes appliquée à la micro-fluidique. Deux études indépendantes sont effectuées : d'une part l'étude des mélanges de fluides Newtoniens dans des micro-canaux fins, et d'autre part l'étude d'écoulements de Micelles géantes (fluides non-Newtoniens). Dans chaque étude on traite tout d'abord des modèles en détail, puis on effectue une étude numérique des modèles en question. Dans la première partie nous traitons de l'hydrodynamique de mélanges de fluides de différentes viscosités en régime de Stokes. Nous dériverons alors un modèle réduit de type Reynolds à partir modèle complet de Stokes. Cette réduction de modèle est particulièrement adaptée à des écoulements dans des micro-canaux dont le rapport d'aspect largeur/hauteur est important. Les modèles obtenus au final peuvent être 2D ou bien 2.5D (2D pour la pression 3D pour le mélange) selon que l'on souhaite ou non prendre en compte les variations de viscosité dans la direction "fine". De plus, les conditions aux limites en haut et au fond du canal pour le modèle complet (canal à reliefs, motifs de matériaux glissants) apparaissent dans le modèle réduit comme de simples coefficients de résistance à l'écoulement. Un résultat d'existence de solution est donné pour le modèle 2D. Une méthode numérique est alors donnée pour approcher ces modèles. Cette méthode numérique est basée sur une discrétisation des équations sur une grille cartésienne, ce qui permet une résolution rapide des systèmes linéaires obtenus après discrétisation. Deux études numériques sont alors menées, tout d'abord une étude de l'inter-diffusion de deux fluides dont les viscosités sont différentes dans des expériences dites de "co-flow", puis une autre étude sur des écoulements mono-fluides pour des canaux à reliefs et à surfaces glissantes utilisant des modèles 2.5D adaptés. La deuxième partie de ce document est consacrée à l'étude d'écoulements micro-fluidiques de micelles géantes en solution. Ce type particulier de fluide a tendance à former spontanément dans l'écoulement des phases dont les propriétés mécaniques peuvent être très différentes. Ces phases sont appelées communément "bandes de cisaillement", et l'origine de la formation de ces bandes de cisaillement tient dans les différentes conformations (conformation alignée, conformation enchevêtrée) possibles pour les micro-structures formant ces fluides. Un modèle particulier a été étudié pour décrire de tels écoulements : le modèle de Johnson-Segalman diffusif. Ce dernier permet de rendre compte de la transition entre phase alignée et phase enchevêtrée lorsque l'écoulement est cisaillé. Toutefois, ce modèle a un comportement instable dans un écoulement possédant un composante d'élongation suffisamment forte. Il est donc nécessaire de modifier le modèle par l'ajout d'une non-linéarité (quadratique) dans la loi de comportement. Une méthode numérique a ensuite été développée afin d'étudier le modèle dans diverses situations. Deux problèmes ont été mis en lumière dans l'analyse numérique des équations : un problème de stabilité lié au couplage nécessaire entre la loi de comportement du fluide et la loi de conservation de la quantité de mouvement, et un problème d'oscillations parasites sur la contrainte. Le premier problème peut être résolu par la détermination d'une nouvelle condition de stabilité sur le système, et le deuxième par l'ajout systématique d'un terme de diffusion dans les équations. Une première étude concernant la formation de bandes de cisaillement dans un canal droit a alors été menée. Cette étude a permis en particulier de déterminer le rôle exact de la diffusion dans le modèle. Une deuxième étude concernant des écoulements 3D dans des jonctions micro-fluidiques en T a permis de mieux comprendre les phénomènes étranges observés sur la répartition des débits dans les branches de sortie de ces jonctions.

Les nanoparticules magnétiques peuvent être utilisées pour détruire des cellules cancéreuses. La connaissance des propriétés rhéologiques de ces cellules permet de modéliser le mouvement des particules sur la surface des membranes et de mieux comprendre les mécanismes en jeu. Une première approche fut d'utiliser des microsondes magnétiques pour déterminer les propriétés viscoélastiques du milieu cellulaire. Puis une technique plus directe à l'aide d'un AFM a été utilisée. Nous avons à cet effet développé une méthode générale d'analyse du mouvement de la pointe AFM pour les étapes d'indentation et de relaxation, ce qui permet une détermination plus précise des paramètres rhéologiques de cellules et en particulier de la lignée Hep-G2. La modélisation du comportement viscoélastique des cellules a ensuite permis de calculer l'indentation de ces cellules par des particules magnétiques soumise à un gradient de champ magnétique. Des nanoparticules de fer en forme de fuseau, recouvertes d'or, ainsi que des nanofibres de cobalt ont été synthétisées au laboratoire. Nous avons montré que l'application d'un champ magnétique de basse fréquence (quelques Hz) sur ces nanoparticules de fer pouvait "in vitro" détruire des cellules cancéreuses mais que, par contre, un champ constant n'avait pratiquement aucun effet. En s'appuyant sur la modélisation de l'indentation, on montre que seule la formation de clusters de particules peut expliquer ces résultats. A coté de la magnétolyse par voie mécanique, nous avons montré qu'il était aussi possible d'utiliser l'importante hystérésis magnétique des nanoparticules de cobalt pour le traitement par hyperthermie de cellules cancéreuses à des fréquences aussi basses que 10 kHz.

Le bois est connu pour être un matériau complexe, car hétérogène, anisotrope et hygroscopique. Lorsqu'il est soumis à un type particulier de traitements thermiques, appelé rétification et consistant en une pyrolyse ménagée à basses températures (200-280°), il présente une diminution notable de son caractère hydrophile, une meilleure stabilité dimensionnelle et une résistance accrue aux attaques des micro-organismes. Le présent travail est consacré d'une part à l'étude expérimentale de ces traitements thermiques, c'est-à-dire la mesure des températures pour différents rayons dans un cylindre de bois traité en bain pour lequel on a fait varier les paramètres suivants : essence de bois, diamètre, humidité initiale du barreau, température de consigne et nature du bain ; d'autre part à la modélisation des phénomènes de transfert de chaleur et de masse prenant en compte la conduction, la vaporisation de l'eau contenue dans le bois, la décomposition chimique du bois, et les variations de la densité, du taux d'humidité, de la conductibilité thermique et de la capacité calorifique. Pour chercher à optimiser les conditions dans lesquelles le traitement se déroule et qui conditionnent la qualité finale du produit, nous avons cherché à caractériser les propriétés physico-mécaniques du bois traité par une méthode de contrôle non destructif par spectroscopie ultrasonore. En complément de cette méthode, nous avons utilisé d'autres méthodes de caractérisation : vibrations forcées de poutres, essais statiques de flexion et de compression et analyse thermo-mécanique. Tous les résultats de ces analyses concordent et mettent en évidence pour les bois étudiés (hêtre, peuplier, douglas) une variation discontinue des propriétés aux alentours de 240° pour un temps de traitement de 15 mn. Nous avons pu également remarquer une fragilisation du matériau massif, mais fortement minimisée quand le matériau de départ est humide et traité en bain.

Cette thèse s'inscrit dans la recherche sur la rhéologie des mousses liquides. Celles-ci font partie de la classe des fluides complexes et exhibent un comportement entre le solide élastique et le liquide visqueux. Elles ont l'avantage d'avoir une structure (les bulles) facilement identifiable, notamment en géométrie 2D (une seule couche de bulles), ce qui en fait un système modèle. Nous présentons comment nous obtenons ces écoulements, expérimentalement (cellule Hele-Shaw) et numériquement (simulations Monte Carlo). Une grande variabilité en vitesse et en fraction liquide est obtenue. La mousse est contrainte de s'écouler autour d'un obstacle, donnant lieu à un écoulement hétérogène. L'état de la structure (étirement des bulles, réarrangements) est mesuré localement et relié aux propriétés mécaniques. La modélisation des écoulements de mousse à partir d'équations continues est étudiée. Des effets liés au confinement (frottement sur les parois, instabilité) sont observés.

Nous avons préparé de nouveaux matériaux ultraporeux, appelés Aérocellulose, à partir de solutions de cellulose dans la N-méthyl-morpholine-N-oxyde (NMMO) ou dans des solutions aqueuses d'hydroxyde de sodium, suivie d'une étape de régénération puis d'un séchage supercritique.<br />Les propriétés rhéologiques des solutions cellulose-NaOH-eau préparées ont été étudiées. Le temps, la température et l'augmentation de la concentration de cellulose conduisent à la formation d'un gel irréversible. L'ajout d'urée retarde la gélification et améliore la qualité du solvant.<br />Nous avons déterminé les cinétiques de régénération de la cellulose des gels physiques de cellulose et nous les avons comparées à celle des solutions de cellulose-NMMO-eau. La concentration en cellulose, le type et la température du bain non-solvant sont les principaux paramètres qui gouvernent la diffusion du solvant de la solution de cellulose vers le bain de régénération et donc la structure finale du matériau.<br />Les Aérocelluloses ont une porosité ouverte, supérieure à 90%, avec un diamètre de pores moyen de quelques centaines de nanomètres. Les propriétés mécaniques du matériau dépendent des paramètres de préparation.<br />L'Aérocellulose a été évaluée dans diverses applications. Nous avons créé des structures composites cellulose-particules inorganiques. Nous avons pyrolysé les Aérocelluloses afin d'obtenir des structures carbonées poreuses. Les Aérocelluloses carbonées utilisées dans les piles primaires au lithium ainsi que les Aérocelluloses carbonées platinées testées comme support catalytique pour les électrodes dans les piles à combustibles conduisent à des résultats prometteurs.

Lorsque l'on étudie la physique des interactions entre surfaces, on peut à juste titre se demander s'il est possible d'apporter encore quelque chose d'original, au XXIe siècle, bien après, entre autres, les travaux de Young, Laplace, van der Waals, Hamaker, Derjaguin, Landau, Verwey, Overbeek, Lifshitz, Cahn, de Gennes, Helfrich...<br /> En s'appuyant sur nos expériences originales de mouillage et de physique des colloïdes, nous nous efforçons de montrer que tous les concepts utiles pour comprendre les interactions entropiques ou de van der Waals entre surfaces inertes sont en place depuis plus de vingt ans. Nous montrons ensuite, à travers l'étude expérimentale du couple streptavidine-biotine, qu'en ce qui concerne les interactions spécifiques entre molécules biologiques reliées à des surfaces, il reste encore beaucoup à comprendre. Nous illustrons par ailleurs les limites de l'approche du physicien à travers l'étude expérimentale des interactions entre cadhérines, molécules biologiques directement impliquées dans l'adhésion cellulaire.<br />Enfin, nous présentons des études d'interactions entre surfaces d'objets en mouvement ainsi que deux projets de recherches concernant les liens entre les interactions entre surfaces colloïdales et la rhéophysique des colloïdes.

Une approche couplant analyses physicochimique et sensorielle a été mise en oeuvre pour comprendre le rôle de la viscosité complexe, modifiée par la composition en protéines et l'intensité du traitement mécanique appliqué, sur la perception olfactive au cours de la consommation de yaourts brassés aromatisés. La viscosité complexe des yaourts influence les propriétés sensorielles des matrices et la libération des composés d'arôme en conditions statiques, c'est-à-dire en conditions non agitées et à l'équilibre entre phases aire et matrice. Globalement, les yaourts les plus visqueux libèrent de plus faibles quantités de composés d'arôme et sont perçus les moins intenses en arôme, quel que soit le facteur de variation de la viscosité complexe, composition protéique ou traitement mécanique. Or, la consommation est un processus dynamique. C'est pourquoi des mesures in vivo de libération des composés d'arôme dans la cavité nasale ont été effectuées en parallèle de l'évaluation de la perception olfactive au cours de la consommation. Lors de l'ingestion, les variations de quantités de composé d'arôme libérés dans la cavité nasale, dépendantes des différences de viscosité complexe des matrices, contribuent à expliquer les différences de perception de l'intensité aromatique. Par ailleurs, la composition protéique influence la libération des composés d'arôme uniquement lorsque les yaourts présentent de larges variations de viscosité complexe et par conséquent de texture. Lorsque les yaourts subissent un fort traitement mécanique, aucun effet de la composition protéique sur la libération et la perception des composés d'arôme n'est observé. Ainsi, en bouche, la libération des composés d'arôme et leur perception sont plus influencées par les différences de viscosité complexe que par les interactions protéine-composés d'arôme. Afin d'affiner les hypothèses des mécanismes de libération des composés d'arôme en bouche, l'impact de la déstructuration des matrices a été étudié en conditions in vitro. Mais, la libération des composés ne dépend pas de cette déstructuration. Ainsi, la viscosité complexe, qui pourrait expliquer des différences de surface d'échange entre le produit et la cavité buccale, constituerait le facteur clé à l'origine de la perception aromatique. Par ailleurs, l'influence de l'emballage sur les caractéristiques physicochimiques et sensorielles de yaourts brassés aromatisés a également été étudiée au cours du stockage. Les propriétés physicochimiques et sensorielles des yaourts à 0% de matière grasse sont davantage influencées par la nature de l'emballage que celles des yaourts à 4% de matière grasse. Un emballage en polystyrène semble préférable pour éviter la perte des notes fruitées du yaourt. Ces résultats montrent la nécessité d'intégrer la nature de l'emballage dans la formulation de la composition aromatique du yaourt.

Les solides amorphes présentent des propriétés mécaniques et vibrationelles particulières. Bien que ne possédant pas d'ordre à longue portée, ils exhibent une dureté plus élevée et un module de cisaillement plus faible que celui du cristal correspondant. De même, la réponse irréversible en cisaillement de ces matériaux se localise et met en évidence l'existence de bandes de cisaillement, contrairement à la réponse en terme de dislocations d'un cristal sous une telle déformation. D'autre part, la densité d'état des modes de vibrations, dans un matériau amorphe, fait apparaître un excès de modes dans la région du Térahertz par rapport à la prédiction continue de l'élasticité, nommé Pic Boson. Dans cette thèse, nous abordons ces différentes problématiques par l'utilisation des simulations de Dynamique Moléculaire sur des matériaux amorphes modèles. Nous montrons que les anomalies de densité d'états sont liées à l'existence d'un champ de réponse non-affine de nos matériaux à diverses sollicitations. Ce champ de déplacement exhibe des mouvements collectifs d'atomes, corrélés sur plusieurs distances interatomiques, longueur en-dessous de laquelle le désordre devient pertinent, et le spectre vibrationel du matériau ne peut être décrit par une théorie continue de l'élasticité. L'influence d'une telle longueur dans le régime de déformation plastique irréversible a alors été abordée par la mise en oeuvre d'un protocole athermique de déformation quasistatique. Celui-ci a montré que le régime d'écoulement plastique était spatialement hétérogène, avec deux types d'évènements plastiques: des réarrangements quadrupolaires localisés, ainsi que des bandes de cisaillements.

Cette thèse s'inscrit dans le contexte de la Chaire Industrielle Bioplastiques, financé par MINES ParisTech et cinq entreprises partenaires : Arkema, L'Oréal, Nestlé, PSA Peugeot-Citroën et Schneider Electric, qui vise à développer de nouveaux matériaux biosourcés durables. L'objectif global de la thèse est de trouver de nouvelles propriétés à une ancienne famille de plastiques biosourcés - les esters de cellulose - en les mélangeant avec une polyoléfine. Nous avons débuté l'étude par une étape de screening qui nous a permis de caractériser l'ester de cellulose retenu (acétobutyrate de cellulose ou CAB) et de définir l'objectif de la thèse : améliorer la résistance au choc du CAB en y ajoutant une phase polyoléfinique finement dispersée. Le CAB est, en effet, particulièrement fragile : sa résilience est inférieure à 2 kJ/m² lors d'un choc Charpy entaillé. Pour diminuer la taille de nodules de la phase dispersée et la distance qui les sépare, deux approches ont été utilisés. Premièrement, plusieurs mélanges de CAB et de polyéthylènes (PE) de densités différentes ont été préparés par mélangeur interne. Des compatibilisants maléisés ont été utilisés pour diminuer la tension interfaciale entre les phases. Les tailles des nodules, mesurées par microscopie électronique à balayage se sont classées suivant les rapports de viscosité et d'élasticité (PE/CAB), mesurés par rhéométrie dynamique. La résilience de ces mélanges a été augmentée par rapport au CAB mais n'a pas dépassé 6 kJ/m². Dans la seconde approche, des polyoléfines fonctionnalisées (maléisées) ont été utilisées comme unique phase dispersée. La fonctionnalité accrue a permis d'améliorer l'adhésion interfaciale. La taille des nodules et leur espacement ont été considérablement réduits. Les mélanges sélectionnés ont été préparés par extrusion bi-vis et les éprouvettes de résistance au choc ont été préparées par injection. Pour quelques formulations, une longueur moyenne de ligaments de matrice (séparant deux nodules voisins) particulièrement petite (0,1 µm) a permis d'atteindre la transition fragile-ductile du matériau et une résilience supérieure à 60 kJ/m².