Cartographie de la dynamique microscopique dans la matière molle sous sollicitation

Maps of the microscopic dynamics in driven soft matter

• Auteur / Autrice : Mohamed Yassine Nagazi
• Direction : Luca Cipelletti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 02/05/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Lucyna Firlej
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Luca Cipelletti, Lucyna Firlej, Costantino Creton, Jérôme Crassous, Philippe Marguerès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Costantino Creton, Jérôme Crassous

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matière molle (physique)

Polymères

Rhéologie

Mots clés libres

Caractérisation

Rhéologie

Sollicitation thermique

Diffusion mutiple de la lumière résolue spatialement (PCI-DWS)

Polymères

Matériaux à base de corps gras

Rheology

Temperature ramp

Space-Resolved diffusing wave spectroscopy (PCI-DWS)

Polymers

Fat materials

Résumé

Au cours de ce travail, nous avons proposé une caractérisation "multi-échelle" des matériaux mous à travers des montages originaux permettant la mesure simultanée des quantités macroscopiques et microscopiques. Dans une première partie de nos travaux, nous avons associé une méthode optique introduite récemment, la diffusion multiple de la lumière résolue spatialement (PCI-DWS), avec une sollicitation thermique, afin de suivre l’évolution de la microstructure d’échantillons à base de corps gras lors d’une rampe de température. Ces expériences ont permis d’identifier des transitions de phase par PCI-DWS et de les localiser spatialement dans des échantillons hétérogènes.Dans une deuxième série d’expériences, la même méthode optique a été couplée à des essais mécaniques réalisés avec une machine de traction commerciale. Pour des éprouvettes de polymère semi-cristallin, nous avons mesuré la déformation de l’éprouvette par PCI-DWS, sans avoir recours à des marqueurs de surface, contrairement aux méthodes d’imagerie couramment utilisées. Pour le même polymère, nous avons suivi la dynamique microscopique lors d’essais de traction dans les deux régimes, élastique et plastique. Nous avons montré que la dynamique microscopique et la relaxation de la contrainte lors de tests de traction à déformation imposée sont liées par une relation étonnement simple, que nous avons pu modéliser. Dans une dernière partie de la thèse, nous avons conçu et réalisé un prototype d’instrument permettant de mesurer simultanément la dynamique microscopique, la force et le déplacement lors d’essais de traction sur des élastomères. Grâce à cet instrument, nous avons pu mettre en évidence l’existence de précurseurs dynamiques microscopiques qui précèdent de milliers de secondes l’apparition de signes macroscopiques de la défaillance du matériau.

In this thesis, we introduce a "multi-scale" characterization of soft matter based on novel setups that couple macroscopic measurements (temperature, force, deformation) to measurements of the microscopic dynamics. In a first series of experiments, we use a recently introduced optical method, space-resolved diffusion wave spectroscopy (PCI-DWS), to follow the microscopic dynamics of fat materials during a temperature ramp. This allows us to detect phase transitions and to localize them in space for heterogeneous samples. In a second series of experiments, the same optical method is coupled to mechanical measurements performed on a commercial universal traction machine. For a semi-crystalline polymer, we measure by PCI-DWS the mesoscopic deformation field under tension, with no need to pre-treat the sample surface as in conventional imaging methods. For the same polymer, we measure the microscopic dynamics during tensile stress relaxation tests, both in the linear and non-linear regime. We find a remarkably simple relationship between the microscopic dynamics and the macroscopic stress relaxation, and propose a simple model to rationalize it. In the last part of the thesis, we have designed and implemented a setup prototype to measure simultaneously the microscopic dynamics (by PCI-DWS), the force and the deformation during tensile tests on elastomers. Thanks to this apparatus, we unveil dynamic precursors preceding by thousands of seconds anymicroscopic sign of the incipient material failure.