Objets en interaction avec un front de solidification

Objects interacting with a solidification front

• Auteur / Autrice : Sidhanth Tyagi
• Direction : Cécile Monteux, Sylvain Deville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 12/10/2020
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Sciences et ingénierie de la matière molle (Paris ; 1997-....) - Sciences et Ingénierie de la Matière Molle / SIMM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Charles-André Gandin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Monteux, Sylvain Deville, Charles-André Gandin, Dirk Aarts, Nathalie Mangelinck-Noël, Robert Style, Caroline Tardivat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dirk Aarts, Nathalie Mangelinck-Noël

Mots clés

Mots clés libres

Solidification

Interfaces

Soluté

Conductivité thermique

Microscopie confocale

Solidification

Interfaces

Solute

Thermal conductivity

Confocal microscopy

Résumé

L’interaction du front de solidification avec des objets (gouttelettes, bulles, particules ou cellules biologiques) est unphénomène courant rencontré dans une multitude de situations, allant des procédés industriels aux événements naturels, tels que la formation de glace de mer, la croissance de monocristaux, la métallurgie, la cryobiologie, l’ingéniériealimentaire ou la purification de l’eau. Ces processus, pourtant bien identifiés, sont complexes et une compréhensionapprofondie reste à développer. Les objets (rigides ou déformables) peuvent avoir différents comportements lors de leurrencontre avec un front de solidification en mouvement. Le front peut intégrer l’objet, le piégeant dans le cristal en croissance, ou le repousser. Les conséquences de cette interaction ont un impact sur la microstructure finale et déterminentnotamment les propriétés structurelles et fonctionnelles du matériau solidifié. En outre, la plupart de ces phénomènesse produisent en présence de solutés (ou d’impuretés), qui peuvent être ségrégés à l’interface lors de la solidification.Dans cette étude, nous analysons l’interaction d’objets sphériques déformable (gouttelettes et bulles) ou de particulesrigides avec une front de solidification eau-glace en mouvement. La microscopie cryo-confocale permet une imagerierapide in situ de la croissance des cristaux de glace, de la phase liquide et de la dynamique des objets qui rencontrentle front de solidification. Nous décrivons l’impact de la concentration des solutés (ou des impuretés) et leur influencesur la géométrie de l’interface, la dynamique des objets et la microstructure de solidification. Nous explorons plusieursaspects importants des interactions de particules multiples dans des systèmes réalistes et discutons des conséquencesde la redistribution des particules par rapport aux systèmes idéaux décrits dans les modèles physiques précédemmentdéveloppés. Nos résultats montrent comment une concentration croissante de soluté dans le liquide et sa ségrégationlors de la solidification peuvent modifier de façon spectaculaire la nature attendue des interactions entre l’objet et lefront et les microstructures de solidification. La congélation des suspensions par microscopie cryo-confocale peut servird’analogue pour étudier l’interaction in situ d’objets avec une front de solidification en mouvement.

The interaction of solidification fronts with objects (droplets, bubbles, particles, or biological cells) is a common phenomenon encountered in a plethora of situations, ranging from industrial to natural occurrences, such as the formation ofsea ice, growth of single crystals, metallurgy, cryobiology, food science, and filtration or water purification. The process,though well-known, is complex and an unambiguous quantification of the mechanisms in situ is yet to be developed. Theobjects (soft or hard) can have diverse outcomes owing to their confrontation with an advancing solid-liquid interface. Thefront can engulf the object, trapping it into the growing crystal, or the front can repel the object, pushing it ahead of itself.The consequences of this interaction impacts the final microstructure and hence, determines the structural as well asfunctional properties of the solidified material. Furthermore, many of these phenomena occur in the presence of solutes(or impurities), which can segregate at the interface during the growth of a solid. In this study, we analyse the interactionof spherical soft objects (droplets and bubbles) and rigid particles with an approaching ice-water interface. Our customcryo-confocal microscopy setup enables a rapid imaging of the growth of ice crystals, the liquid phase, and the dynamicsof objects encountering the solidification front. We depict the impact of solute (or impurity) concentration and their influence on the interface geometry, object dynamics, and the solidified microstructure. We explore several important aspectsof multiple particle interactions in realistic systems and discuss the consequences of particle redistribution in comparisonto the ideal systems considered by the past physical models. Our results demonstrate how an increasing concentration ofsolute in the bulk liquid and their subsequent segregation can dramatically alter the predicted nature of object-front interactions and the solidification microstructures. We suggest that the freezing of suspensions using cryo-confocal microscopymay serve as an analogue for studying the in situ interaction of foreign objects with a moving solid-liquid interface.