Effet d'un champ électrique sur la structure et la dynamique de suspensions colloïdales confinées : étude numérique par simulation

Effect of an electric field on the structure and dynamics of confined suspensions of colloidal particles : numerical study by simulation

• Auteur / Autrice : Salomon Chung
• Direction : Saïd Amokrane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/03/2017
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (Champs-sur-Marne, Seine-et-Marne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Physique des liquides et milieux complexes (Créteil) - Laboratoire Navier / NAVIER UMR 8205
• Jury : Président / Présidente : Pascal Viot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Saïd Amokrane, Vincent Russier, Jean-Guillaume Malherbe, Emmanuel Trizac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Johannes Richardi, Wei Dong

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Interaction magnétique dipôle-dipôle

Dynamique moléculaire

Nanoparticules

Mots clés libres

Structure et Dynamique

Simulation Monte-Carlo

Dynamique moléculaire

Interactions dipolaires

Colloïdes confinés

Champ extérieur

Structure and Dynamics

Monte Carlo Simulation

Molecular Dynamics

Dipolar Interaction

Confined colloids

External dield

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre des études théoriques dedispersions colloïdales, ou suspensions de particules dont la taille varie du nanomètre aumicromètre. Dans ces milieux, les interactions entre les particules peuvent être moduléesen jouant par exemple sur leur composition superficielle, de même qu'il est possible demodifier l'environnement des colloïdes comme le solvant, le confinement du mélange et/ouéventuellement un champ extérieur pour influer sur leurs propriétés thermodynamiques.La modélisation-simulation permet alors de tester sur ordinateurcertains jeux de paramètres pouvant produire le phénomène souhaité,avant son éventuelle réalisation expérimentale.Ce travail se concentre sur cette étape préliminaire en considérant un mélange desphères dures dipolaires et apolaires, placé dans milieu confiné etsoumis à un champ électrique (magnétique pour des ferrocolloïdes).Dans une première étape, nous nous intéressons aux états d'équilibres du mélange,en étudiant par simulations Monte-Carlo un mélange symétrique en composition,non-additif et confiné entre deux murs éloignés.En comparant les résultats pour différentes densités et directions du champ extérieur,nous retrouvons certaines propriétés déjà observées pour des systèmes similaires.Nous commençons par la situation de référence sans champ où à faible densité,le mélange est monophasique et l'espèce dipolaire fuit les murs.L'augmentation de la densité favorise alors la séparation de phase et dans la phase richeen dipôles, l'espèce dipolaire mouille les murs.L'application d'un champ perpendiculaire aux murs favorise la stabilité du mélange malgrésa densité élevée et la non-additivité entre les deux espèces.En faisant croître ce champ, nous observons une structuration de l'espèce dipolaire,notamment près des murs ainsi que la formation de <<colonnes>> de dipôles dansla direction du champ.Enfin un champ parallèle aux murs provoque la démixtion du mélange dèsla plus faible densité considérée. Les dipôles fuient à nouveau les murs etnous observons de longues chaînes intriquées de dipôles.Dans une seconde étape, nous nous intéressons à la dynamique d'un mélange asymétrique encomposition et soumis à un champ. Nous combinons dans cette étudedes simulations Monte-Carlo et de dynamique moléculaire (Langevin).Le mélange est placé dans une boîte présentant un goulot d'étranglement afinde simuler un pore ouvert en contact avec un réservoir de particules,à travers une interface explicite. Le champ, perpendiculaire aux murs, sera appliquéau niveau du goulot d'étranglement afin d'y attirer les dipôles.Nous considérons d'abord un mélange peu dense afin que le cycle remplissage / vidagedu milieu confiné soit réversible. Dans le but d'accélérer ces cycles,l'intensité du champ est progressivement augmentée.Le remplissage en dipôles est effectivement plus rapide mais sa composition satureprématurément.Nous lançons ensuite une série de cycles avec des coefficients de frottement deLangevin croissants mais relativement petits afin de limiterla durée des simulations. Nous notons alors que les temps de remplissage oude vidage du pore varient linéairement en fonction du coefficient de frottementce qui nous permet d'estimer par extrapolation la durée d'un cycle pour les colloïdes.En jouant sur la non-additivité et la densité,nous parvenons à rendre les cycles irréversibles : selon l'application envisagée,l’irréversibilité pourra s'avérer utile ou devra être évitée.Nous terminons ce chapitre en estimant la variation de la durée des cycles avecla taille des colloïdes. Un modèle d'interaction entre colloïdes constitués pardes centres répulsifs en loi de puissance, uniformément répartis dans une sphèrenous permet de prévoir, moyennant des hypothèses sur les lois d'échelle,la variation des durées de remplissage ou de vidage pour des tailles allantde petits colloïdes aux dimensions quasi-moléculaires

The work presented in this dissertation is in the framework of the theoretical study ofcolloidal dispersions, i.e. suspensions of particles whose size varies from nanometers tomicrometers. In such a medium, the interactions between particles can be tuned through their surfacecomposition for instance. One may also modify the environment of the colloids:a specific solvent can be combined with confinement of the mixture andan external can field applied on it in order to tune its thermodynamic properties.Once a model of a physical system is defined, computer simulation can be used to explorea range of parameters to check if the sought phenomenon occurs, before carrying outany real experiment. This work focuses on this preliminary step: our model consists ofa mixture of dipolar and apolar hard spheres in a confined medium and subjected to anelectric field (or a magnetic one for ferrocolloids).In a first step, we use Monte Carlo simulation to study equilibrium states ofa binary mixture confined between distant walls,with symmetric composition of the two species having non additive interactions.By comparing the results of different densities and field directions,we recover some properties already observed for similar systems.In the reference state where the field is turned off, the mixture at low density is stableand we notice that the dipoles stay away from the walls.A denser mixture separates into two phases and in the dipoles rich one,the dipolar particles now wet the walls.When the mixture is subjected to a field perpendicular to the walls,it remains stable in spite of its high density and non additivity between unlike particles.Increasing the field induces a structuring of the dipolar component near the wallsand we observe column shaped clusters of dipoles along the direction of the field.Finally, the application of a field parallel to the walls separates the mixture,even at the lowest density we chose. Dipoles stay away from the walls and we observeentangled dipoles chains.In a second step we explore the dynamics of a mixture with asymmetric composition andsubjected to a field. We combine Monte Carlo and molecular dynamic (Langevin) simulationsin this study. The mixture is confined in a box with a bottleneck channel in order tosimulate an open pore exchanging particles with a reservoir through an explicit interface.The field which is perpendicular to the walls is applied in the bottleneck regionto attract dipoles there.We first consider a low density mixture such that the filling / emptying cycleof the pore is reversible.The intensity of the field is then increased to speed up the cycles.As expected, the dipoles fill the pore faster then. However their composition saturatesunder the maximum value found for a lower field.A series of cycles was performed with increasing Langevin damping coefficients but stilllow enough to reduced the computation time.We then notice that the filling or emptying duration is a linear function ofthe damping coefficient. The duration of a cycle for colloids is then obtained fromextrapolation.Combining non additivity and high enough density, we are able to make an irreversible cycle:depending on the application sought for, this irreversibility can be useful ormust be avoided.This chapter ends with the assessment of the duration of a cycle with respect tothe size of colloids. We use an interaction model between colloidal particles wherea colloid is uniformly made of repulsive centers following a power law.With some scaling law hypotheses, the duration of a filling or an emptying is estimated forsmall colloids down to nearly molecular dimensions