Expérimentations et simulations sur des micelles wormlike : comportement photo-réactif et applications

Experiments and simulations on wormlike micelles : photo-responsive behavior and applications

• Auteur / Autrice : Qizhou Chen
• Direction : Anniina Salonen, Yazhuo Shang
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 17/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay en cotutelle avec East China University of science and technology (Shanghai, Chine)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne) - Institute of Applied Chemistry (Shanghai, Chine)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Foffi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aixin Song, Maria Sammalkorpi, Qibin Chen, Aihua Zou, Laurence Gorre-Talini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Aixin Song, Maria Sammalkorpi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Viscoélasticité

Simulation par ordinateur

Dynamique moléculaire

Bulles -- Dynamique

Mousse (chimie)

Surfactants

Micelles

Mots clés libres

Micelle en forme de ver photosensible

Simulation de dynamique moléculaire

Fluide viscoélastique

Ascension de la bulle

Photo-responsive wormlike micelle

Molecular dynamics simulation

Viscoelastic fluid

Bubble rise

Résumé

Les matériaux souples réactifs sont un sujet de recherche actif depuis des décennies. Parmi les différents types de matériaux, les systèmes de micelles ressemblant à des vers photosensibles construits par des tensioactifs avec une morphologie d'auto-assemblage contrôlable et des propriétés rhéologiques réglables ont attiré une large attention. De tels systèmes d'auto-assemblage photosensibles peuvent non seulement être faciles à concevoir, propres et sans pollution, mais il est également possible d'ajuster et de contrôler avec précision le temps de réponse et la localisation du stimulus. L'un de ces systèmes est composé de molécules photosensibles à base de cinnamate et de tensioactifs Gemini. Il montre une riche zoologie de morphologies d'auto-assemblage, y compris des micelles sphériques, des micelles vermiformes, des vésicules, des cristaux liquides, un système aqueux à deux phases, etc. Ces auto-assemblages présentent tous un excellent comportement photosensible. Cependant, en raison de l'échelle microscopique des auto-assemblages, la question de savoir comment ils s'assemblent et ce qui entraîne le changement de morphologie sous irradiation UV est encore ouverte. Les méthodes de simulation informatique à l'échelle atomique et moléculaire suscitent notre intérêt en raison du succès de la modélisation du comportement d'auto-assemblage. Avec l'amélioration rapide des performances des ordinateurs et les progrès des méthodes théoriques, les méthodes de simulation et de calcul sur ordinateur sont devenues une méthode indispensable dans la recherche théorique. Dans cette thèse, pour construire les micelles wormlike photosensibles, les cinnamates, représentés par l'o-méthoxycinnamate, avec différents ortho-substituants en position méta-, para ont été sélectionnés comme molécules photosensiblesà introduire dans la solution de tensioactif Gemini. Grâce à des méthodes expérimentales telles que la rhéologie et la cinétique de réaction, combinées à une simulation de dynamique moléculaire, des calculs quantitatifs, le processus de transformation morphologique sous la lumière UV, la cinétique de réaction de photo-isomérisation, la différence de molécules photosensibles et le mécanisme de transformation morphologique de cette système font l'objet d'une enquête approfondie. La rhéologie des micelles vermiformes en fait un fluide modèle intéressant pour l'amincissement par cisaillement. Le comportement collectif des bulles dans les fluides fluidifiants par cisaillement est courant dans les procédés industriels tels que le traitement des eaux usées, l'extraction du pétrole et la flottation par mousse. En raison du comportement rhéologique complexe des fluides viscoélastiques, les recherches sur le comportement ascendant des bulles dans le fluide sont rares. Nous avons étudié la montée de bulles dans un système micellaire vermiforme classique (composé de CTAB/NaSal) dans des liquides bulleux avec une fraction gazeuse de 5% à 30% et montrons que la montée des suspensions concentrées de bulles dans les fluides newtoniens est bien décrite en utilisant l'équation de Richardson-Zaki. Cependant, pour les solutions d'amincissement par cisaillement, la relation de Richardson-Zaki ne s'applique plus. Le regroupement des bulles entraîne des vitesses de montée plus rapides et une dépendance plus faible de la fraction volumique des bulles. Nous discutons de ces résultats en termes de processus de flottation, où ils peuvent aider à concevoir des expériences de flottation plus efficaces pour les fluides fluidifiants par cisaillement. Notre recherche aidera à comprendre l'influence de la structure des molécules photosensibles sur le comportement photosensible des micelles de type ver photosensibles ainsi que la montée des bulles dans le fluide non newtonien, ce qui fournit en outre des orientations théoriques pour les applications industrielles telles que fluide photo-rhéologique, séparation gaz-liquide, flottation de mousse etc.

Responsive soft materials have been an active research topic for decades. Among the different types of materials photo-responsive wormlike micelle systems constructed by surfactants with controllable self-assembly morphology and adjustable rheological properties have attracted widespread attention. Such photo-responsive self-assembly systems can not only be easy to design, clean and pollution-free, but it is also possible to precisely adjust and control the response time and localization of the stimulus. This is why such systems show promising application prospects in drug release, petrochemical industry, switchable catalysis, surface modification, bioengineering, smart photosensitive materials and optics field. One such system is composed of cinnamate-based photosensitive molecules and Gemini surfactants. It shows a rich zoology of self-assembly morphologies, including spherical micelles, wormlike micelles, vesicles, liquid crystals, an aqueous two-phase system and so on. These self-assembly structures all show excellent photo-responsive behavior. However, owing to the microscopic scale of the self-assemblies, the question of how they assemble and what drives the morphology change under UV irradiation is still open. With the rapid improvement of computer performance and the progress of theoretical methods, computer simulation and calculation methods have become an indispensable method in theoretical research. In this thesis, to construct the photo-responsive wormlike micelles, the cinnamates, represented by o-methoxycinnamate (OMCA), with different ortho-substituents in meta- or para-position were select as the photosensitive molecules to introduce into Gemini surfactant solution. Through experimental methods such as rheology and reaction kinetics, combined with molecular dynamics (MD) simulation, quantitative calculations, the morphological transformation process under the UV light, photo-isomerization reaction kinetics, the difference in photosensitive molecules and the mechanism of morphology transformation of this system are comprehensively investigated. The rheology of wormlike micelles makes them an interesting shear thinning model fluid. The collective behavior of bubbles in shear thinning fluids is common in industrial processes such as sewage treatment, oil extraction, and froth flotation. Because of the complex rheological behavior of viscoelastic fluids, the research on the rising behavior of bubbles in the fluid is scarce. We studied the rise of bubbles in a classic wormlike micelle system (composed of CTAB/NaSal) in bubbly liquids with a gas fraction of 5%-30% and show that the rise of the concentrated suspensions of bubbles in the Newtonian fluids is well described using the Richardson-Zaki equation. However, for the shear thinning solutions, the Richardson-Zaki relation no longer applies. Bubble clustering leads to faster rise velocities and a weaker dependence on the bubble volume fraction. We discuss these results in terms of the flotation process, where they can help design more efficient flotation experiments for shear thinning fluids. Our research will help understanding of the influence of the structure of photo-sensitive molecules on the photo-responsive behavior of photo-responsive wormlike micelles as well as the bubbles rise in non-Newtonian fluid, which further provides theoretical guidance for industrial applications such as photo-rheological fluid, gas-liquid separation, foam flotation, etc.