Instabilité de microcapsules en écoulement : rupture et rides

Instabilities of microcapsules in flow : breakup and wrinkles

• Auteur / Autrice : Kaili Xie
• Direction : Marc Jaeger, Marc Leonetti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Physique des Fluides
• Date : Soutenance le 13/09/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique, Modélisation et Procédés Propres (M2P2) (Marseille, Aix-en-Provence) - Laboratoire de Mécanique- Modélisation et Procédés Propres / M2P2
• Jury : Président / Présidente : Anke Lindner
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Chaouqi Misbah, Christian Ligoure, Dominic Vella, Clément de Loubens
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chaouqi Misbah, Christian Ligoure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Mots clés libres

Microcapsule

Instabilités mécaniques

Rides

Rhéologie interfaciale

Écoulement de Stokes

Microcapsule

Mechanical instabilities

Wrinkles

Interfacial rheology

Stokes flows

Résumé

Les particules déformables telles que les cellules biologiques, les vésicules ou encore les capsules présentent une grande richesse de dynamiques sous écoulement. Ces dynamiques, telles que des oscillations de la forme, résultent du couplage fluide-structure entre la réponse mécanique de la membrane et la contrainte hydrodynamique appliquée. La résistance de la membrane au cisaillement et à la flexion induit une nouvelle classe d’instabilités conduisant à une modulation de la membrane qui apparaissent comme des plis. L’objectif de cette thèse est de comprendre l’émergence de telles instabilités sur des microcapsules. Nous avons développé une nouvelle méthode de fabrication qui permet de varier les propriétés mécaniques et l’épaisseur de la membrane dans une grande gamme. Un montage expérimental original a été développé pour visualiser la formation de motifs et la longueur d’ondes des plis. L’instabilité de plissement est caractérisée par plusieurs lois d’échelle permettant d’établir les nombres sans dimension pertinents. En particulier, la forme est instable quand le nombre capillaire est plus grand qu’une valeur unique indépendantes des propriétés mécaniques membranaires. A un plus grand nombre capillaire, la transition plis-creux (ou plis profonds localisés) est observée et caractérisée. Au-delà d’un nombre capillaire, la forme redevient stable. A plus grand nombre capillaire, la transition vers la fragmentation ou la fracture de la capsule est caractérisée par un diagramme de phase et comparé à celui d’une goutte.

Deformable particles such as cells, vesicles and microcapsules exhibit abundant spatiotemporal dynamics in flows. It is commonly accepted that the membrane mechanical properties and flow types govern these dynamics, for example global deformation and shape oscillation. There also exist locally self-organized shape modulations in response to the flows, for example wrinkling and breakup instabilities. The objective of this thesis is to understand the emergence of such instabilities on microcapsules. The challenge comes to the tunability and control of the membrane rheological properties. We first develop a new formulation of assembling microcapsules made of a thin membrane with widely tunable properties. We describe an original visualization set-up that images microcapsules in orthogonal views, allowing a 3D characterization of pattern formation and the first measurement of wrinkles wavelength. The wrinkling instability is characterized by various scaling laws to highlight the salient parameters. Wrinkling pattern appears above a unique critical capillary number regardless of membrane properties. Wrinkles-to-folds transition is observed if the capillary number is greater than the second critical capillary number. However, under extremely high capillary number, microcapsules surface become stable again, prior to breakup. A phase diagram of capsules breakup in extensional flow is also established and compared to the case of droplets.