Les matériaux vitreux mous (émulsion concentrée, mousse, suspension concentrée...) présentent un comportement rhéologique entre solide et liquide. Aux petites contraintes le système reste élastique, mais au-dessus d’une contrainte seuil, le système s’écoule comme un liquide visqueux. Ce comportement se trouve dans de nombreux fluides industriels comme dans les cosmétiques, l’agro-alimentaire ou encore le béton. Une contrainte seuil n’apparait que au dessus d’une certaine fractions volumique. Au dessus de cette fraction les particules se bloquent entre elle, la relaxation n’est plus possible et l’écoulement devient fortement coopératif.Cette coopérativité influe sur la rhéologie à petite échelle, Quand le confinement devient de l’ordre de quelques particules, la viscosité ne dépend plus uniquement, comme habituellement, de la contrainte locale mais aussi de la contrainte au voisinage. C’est ce qu’on appelle rhéologie non-localeJ’ai étudié expérimentalement ce comportement en utilisant les outils de micro fluidiques. J’ai étudié une micro-émulsion concentrée s’écoulant dans un microcanal en observant directement l’écoulement des gouttes avec un microscope confocal. Les résultats sont comparés au model “Kinetic-Elasto-Plastic” de Bocquet et al. 2009 et à des simulations de dynamique moléculaire. / Soft glassy materials (concentrated emulsion, foams, concentrated suspension…) present rheological properties between solids and liquid. Under small stress they stay elastic but at stress higher than a yield stress they begin to flow as a liquid. Those fluids are used in cosmetics, food industry or building materials as concrete. The yield stress behavior only appears when the volume fraction is high enough, where the particles are blocked by their neighbors. So the systems cannot relax and the flow become highly cooperative.This cooperativity impacts the rheology at small scale. When the confinement is of the order of few particles, the viscosity does not only depend on the local stress as usually but also on the stress in the neighborhood. This is called non-local rheology.I studied experimentally this behavior by flowing concentrated emulsion in a microchannel and observing directly the flow of the droplet with a confocal microscopy. The results from these microfluidics experiments are compared to predictions of the Kinetic Elasto Plastic model of Bocquet et al. 2009 and molecular dynamic simulation of jammed soft particles.

À la différence des liquides simples, les solides amorphes, une vaste catégorie de matériaux allant des verres métalliques aux émulsions concentrées, ne se mettent à s'écouler qu'au-delà d'une contrainte finie. Notre thèse a pour objet la modélisation de cet écoulement, dans un cadre général et avec un accent mis sur les hétérogénéités. En premier lieu, notre travail a porté sur l'inclusion d'inhomogénéités dans le cadre de la théorie de couplage de modes appliquée à la rhéologie et nous avons notamment obtenu une équation générale d'évolution des inhomogénéités de densité. À basse température, l'écoulement est en effet fortement hétérogène : des phases de déformation élastique sont entrecoupées de réarrangements de particules, brusques et localisés, qui interagissent par le biais des déformations élastiques qu'ils génèrent. En second lieu, nous avons donc considéré un modèle calqué sur ce scénario et affiné ses éléments constitutifs pour rendre compte de la compétition entre cisaillement appliqué et réarrangements locaux, à l'origine de la courbe d'écoulement des matériaux athermiques. Cette dernière a été reproduite de manière satisfaisante. Pour ce qui est des corrélations spatiales dans l'écoulement, nous avons montré qu'il n'existe pas de loi d'échelle universelle dans les modèles élasto-plastiques, malgré la présence d'une classe de longueurs de corrélation décroissant comme dot{gamma}^{ icefrac{-1}{d}} en d dimensions, dans le régime dominé par le cisaillement. Par ailleurs, dans diverses variantes du modèle, le cisaillement se trouve localisé dans une région du matériau. Ce phénomène apparaît dès lors que les blocs élasto-plastiques sont durablement fragilisés à la suite d'un événement plastique. Enfin, les prédictions du modèle ont été directement mises en regard avec des expériences sur l'écoulement en microcanal d'émulsions concentrées et des simulations de dynamique moléculaire à température nulle. Les écarts observés nous ont poussé à développer et implémenter un code plus flexible, qui s'appuie sur une routine simplifiée d'Éléments Finis et rend mieux compte du désordre structurel et des effets inertiels. / Contrary to the case of simple fluids, a finite stress is required to initiate the flow of amorphous solids, a broad class of materials ranging from bulk metallic glasses to dense emulsions. The objective of this thesis is to model the flow of these materials in a general framework, with an emphasis on heterogeneities. In a first approach, using the liquid regime as a starting point, I have investigated to what extent inhomogeneities can be accommodated in the framework of the mode-coupling theory of rheology. A generic equation for the evolution of density inhomogeneities has been derived. At low temperatures, the flow is indeed quite heterogeneous: it consists of periods of elastic deformation interspersed with swift localised rearrangements of particles, that induce long-range elastic deformations and can thereby spark off new rearrangements. In a second approach, a model rooted in this scenario has been refined so as to reflect the interplay between the external drive and the localised rearrangements, which is at the origin of the flow curve of athermal solids. The latter has been reproduced satisfactorily. Turning to spatial correlations in the flow, we have shown that there exists no universal scaling for these correlations in elastoplastic models, although a broad class of correlation lengths scale with dot{gamma}^{ icefrac{-1}{d}} in the shear-dominated regime in d dimensions. Besides, shear localisation has been observed in diverse variants of the model, whenever blocks are durably weakened following a plastic event. Finally, we have directly compared model predictions to experimental results on the flow of dense emulsions through microchannels and to athermal molecular dynamics simulations. Spurred on by the observation of some discrepancies, we have developed and implemented a more flexible code, based on a simplified Finite Element routine, which notably provides a better account of structural disorder and inertial effects.

Ce travail propose une étude expérimentale visant à caractériser les processus dynamiques se produisant au sein de matériaux vitreux mous. La première partie présente des mesures de diffusion de traceurs nanométriques dans la Laponite (une suspension colloïdale) obtenues par une méthode de recouvrement de fluorescence (FRAP). Cette étude montre que la diffusion varie avec la concentration de Laponite et la taille du traceur. Un modèle hydrodynamique de diffusion confinée permet de décrire quantitativement les données expérimentales. Une deuxième partie concerne l’étude expérimentale du vieillissement de matériaux vitreux. Nous testons en pratique le concept théorique de température effective. Celle-ci est obtenue grâce à la technique de FRAP par la mesure simultanée de la diffusion et la convection de sondes fluorescentes dans la Laponite en cours de prise. Contrairement à certaines mesures de la littérature, le système est bien gouverné par la température ambiante. Nous présentons ensuite une étude visant à caractériser le comportement de la Laponite cisaillée. Nous avons pour cela mis au point un dispositif permettant d’appliquer un champ électrique au système, et ainsi créer des déformations locales. L’effet obtenu s’est révélé trop faible, avec d’assez grandes incertitudes (probablement liées à la complexité du système), pour être considéré comme significatif. Enfin, nous avons étudié les propriétés du Carbopol, un fluide à seuil, en mesurant sa dynamique d’ascension par capillarité. La rugosité de surface des capillaires influe énormément sur la montée du fluide. Nous montrons aussi que l’ascension est pilotée par la rhéologie du système, notamment par le seuil d’écoulement. / This work is based on an experimental analysis of the dynamical processes which occur within soft glassy materials. The first part provides measurement results of nanotracers diffusion in Laponite (a colloidal suspension) obtained by a method of fluorescence recovery (FRAP). This study shows that the diffusion is affected by the concentration of Laponite as well as the size of the tracer. A hydrodynamic model with confined diffusion allows a quantitative description of the experimental data. In a second part, an experimental study is carried out, dealing with the aging processes of glassy materials. The theoretical concept of effective temperature is probed experimentally. The effective temperature is determined using the technique of FRAP, by simultaneously measuring diffusion and convection of fluorescent probes within the aging Laponite. Contrary to some measurements found in literature, results show that the system is controlled by the bath temperature. The following study then aims at characterizing the behavior of the sheared Laponite : an experimental device is developed in this perspective, by applying an electric field to the system and thus creating local deformations. However, the observed effect appears to be too low, with relatively large uncertainties (probably linked to the complexity of the system), which impede on the significance of our results. Finally, the properties of Carbopol, a yield stress fluid, are analyzed by measuring the dynamics of capillary rise. It is shown that the surface roughness of capillary strongly affects the rise of the fluid and that the latter is controlled by the rheology of the system, and more specifically by the yield stress value.