Matériaux rhéo-acoustiques

Rheo-acoustic materials

• Auteur / Autrice : Noémie Dagès
• Direction : Sébastien Manneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (Lyon ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean Colombani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Manneville, Jean Colombani, Bruno Jean, Sébastien Kiesgen de Richter, Catherine Barentin, Thomas Gibaud, Julie Goyon, Véronique Trappe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Jean, Sébastien Kiesgen de Richter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux

Acoustique

Silice

Nanocristaux de cellulose

Noir de carbone

Ultrasons

Rhéologie

Mots clés libres

Rhéologie

Ultrasons

Noir de carbone

Nanocristaux de cellulose

Silice

Gels

Acoustique

Matériaux

Rheology

Ultrasound

Carbon black

Cellulose

Silica

Gels

Acoustic

Materials

Résumé

Les solutions colloïdales sont au cœur des problématiques industrielles du bâtiment, de l'agro-alimentaire ou des cosmétiques. Ces matériaux sont composés de particules nanométriques qui s'agrègent et forment un réseau élastique mais fragile. Adapter la viscoélasticité de ces solutions en temps réel grâce à un stimulus externe apparaît comme un défi majeur dans la conception de matériaux « intelligents ». Les ultrasons de puissance, déjà utilisés dans le domaine médical, semblent être un outil adapté pour atteindre cet objectif de manière non intrusive. Dans cette thèse, nous présentons trois exemples de matériaux « rhéo-acoustiques », dont les propriétés mécaniques sont sensibles aux vibrations acoustiques. Ces travaux s'appuient sur des dispositifs expérimentaux permettant de quantifier la structure du réseau de particules ainsi que les propriétés mécaniques du matériau soumis à des ultrasons. Tout d'abord, nous nous sommes intéressés au gel de noir de carbone. Ce matériau est fortement ramolli lors de l'application d'ultrasons de puissance. Aussi, nous avons montré que ces derniers accélèrent la fluidification et facilitent la mise en écoulement du gel. Ces phénomènes sont attribués à l'apparition de fractures microscopiques au sein du réseau de particules, celui-ci peut même ne pas reprendre son organisation initiale une fois les vibrations éteintes. Ensuite, nous avons étudié l'effet des ultrasons sur une solution de nanocristaux de cellulose. Ce matériau issu de la biomasse est particulièrement sensible aux vibrations acoustiques sous écoulement. Les propriétés viscoélastiques sont largement diminuées selon un processus irréversible. Cette fluidification est due à un changement de phase induit par les ultrasons. Pour finir, nous avons mis en évidence la sensibilité de pâte de silice aux vibrations de haute fréquence. Ces dernières permettent un réarrangement des particules et ramollissent fortement et irréversiblement la solution.

Colloidal solutions constitute a class of soft materials with a huge spectrum of application in the construction, food and cosmetics industries. These materials are composed of nanometric particles that aggregate and form an elastic but fragile network. Adapting the viscoelasticity of these solutions in real time thanks to an external stimulus appears to be a major challenge in the design of intelligent materials. High power ultrasound, already used in the medical field, seems to be a suitable tool to achieve this goal in a non-intrusive way. In this thesis, we present three examples of rheo-acoustic materials, whose mechanical properties are sensitive to acoustic vibrations. This work relies on experimental setups to quantify the structure of the particle network as well as the mechanical properties of the material subjected to ultrasound. First of all, we are interested in carbon black gel. This material is strongly softened during the application of power ultrasounds. Also, we have shown that the latter accelerate the fluidization and facilitate the flow of the gel. These phenomena are attributed to the appearance of microscopic fractures within the particle network, which may not even resume its initial organization once the vibrations are turned off. Then, we studied the effect of ultrasound on a solution of cellulose nanocrystals. This biomass material is particularly sensitive to acoustic vibrations under flow. The viscoelastic properties are largely decreased according to an irreversible process. This fluidization is due to a phase transition induced by ultrasound. Finally, we have highlighted the sensitivity of silica paste to high frequency vibrations. These vibrations allow a rearrangement of the particles and strongly and irreversibly soften the solution.