Systèmes colloïdaux confinés dans des gouttes et des billes

Jammed colloidal systems confined in drops and beads

• Auteur / Autrice : Matteo Milani
• Direction : Laurence Ramos, Luca Cipelletti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Coulomb (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Cécile Cottin-Bizonne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Ramos, Luca Cipelletti, Cécile Cottin-Bizonne, Ludovic Pauchard, Kevin Roger, Véronique Trappe, Wilson C. K. Poon, Emanuela Del Gado
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ludovic Pauchard, Kevin Roger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Molécules colloïdales

Lumière -- Diffusion

Colloïdes

Mots clés libres

Gel

Suspension

Colloïdes

Perles

Gouttes

Diffusion de la lumière

Gel

Suspension

Colloids

Beads

Drops

Light scattering

Résumé

Dans cette thèse, nous explorons deux types de systèmes colloïdaux confinés dans des sphères millimétriques (billes de gels colloïdaux et gouttes de suspensions colloïdales) et conduisons trois ensembles d'expériences, chacun abordant une question spécifique.D’une part, nous examinons les billes sous compression uniaxiale pour obtenir de nouvelles perspectives sur le comportement des gels colloïdaux sous contrainte, qui est couramment étudiée par rhéologie de cisaillement ; grâce à une approche expérimentale novatrice, nous dévoilons de nouveaux aspects de la mise en écoulement de gels colloïdaux. D’autre part, nous étudions le séchage de billes de gel pour comprendre la restructuration du réseau due à la compression pendant le séchage. Enfin, il est connu qu’une goutte de suspension colloïdale subit des instabilités mécaniques lors du séchage dues à la formation d'une coque colloïdale dense induite par l'évaporation, et les travaux antérieurs ont proposé que cette instabilité se produit lorsque les particules dans la coque s'agrègent, formant un solide poreux. Cependant, aucune mesure n'a pu tester directement ce scénario et évaluer sa généralité en ce qui concerne les variations de la vitesse de séchage et de la concentration initiale des particules dans la goutte.Pour répondre à ces questions, nous faisons face à plusieurs défis expérimentaux. Pour produire des billes sphériques de gel colloïdal, dont rigidité et la structure sont ajustées en faisant variant la fraction volumique (VF) colloïdale, nous développons un nouveau protocole expérimental. Nous montrons que les propriétés structurelles et mécaniques des billes ne diffèrent pas de celles de gels préparés de manière conventionnelle. De plus, pour étudier le séchage des billes et gouttes, nous développons un nouveau montage de diffusion dynamique de la lumière dynamique (DLS) adaptée pour sonder les dynamiques microscopiques avec une résolution spatiale et temporelle pour des échantillons sphériques.Pour imposer une compression uniaxiale, nous utilisons un rhéomètre couplé à une caméra, nous permettant d'imager la bille tout en mesurant sa réponse mécanique. Les billes préparées à une VF élevée cèdent brusquement dans le régime linéaire, se fragmentant, tandis que celles préparées à une VF faible dissipent l'énergie en se déformant plastiquement, entraînant une transition progressive. Ces observations indiquent une transition d’un comportement fragile à ductile (BDT), souvent discutée mais insaisissable dans des expériences de rhéologie de cisaillement. Ainsi, notre approche expérimentale ouvre une voie prometteuse pour de futures investigations de la BDT.Les billes de gel colloïdal sont séchées sur des surfaces hydrophobes, minimisant les interactions entre le substrat et le gel, résultant en un séchage isotrope, que nous étudions avec trois techniques : DLS, diffusion des rayons X (RX) et compression uniaxiale. La DLS révèle que les contraintes imposées par le séchage à la surface de la bille se propagent de manière homogène, induisant des réarrangements dans tout le volume. La RX indique que les gels en séchage se réorganisent de manière hiérarchique, se restructurant d'abord à de grandes échelles, puis à des échelles plus petites, jusqu'à quelques tailles de particules.Par DLS, nous mesurons l'évolution de l'épaisseur de la coque et la dépendance spatiale de la fraction volumique des colloïdes lors du séchage d’une goutte de suspension colloïdale. Nous constatons qu'au-dessus d'un taux d'évaporation critique, la goutte subit successivement deux instabilités de forme distinctes : invagination et fissuration. Etonnamment, l'agrégation permanente des colloïdes accompagne uniquement la deuxième instabilité, tandis que la première résulte d'une transition vitreuse réversible au sein de la coque, précédemment non signalée. Sur la base de notre découverte, nous proposons un diagramme d'état unifié qui rationalise le séchage des suspensions colloïdales.

In this thesis, we investigate two kinds of jammed colloidal systems confined in millimetric spheres: beads of colloidal gels and drops of colloidal suspensions. We investigate these systems in three sets of experiments: beads of colloidal gel under uniaxial deformation, drying of beads of colloidal gel and drying drops of colloidal suspensions. Each of these experiments addresses a specific question. First, beads under uniaxial compression are investigated to obtain new insight on the yielding behaviour of colloidal gels. Indeed, the yielding transition of colloidal gels is commonly studied by shear rheology; thanks to an innovative experimental approach, we unveil new facets of yielding. Second, we study the drying of beads of gels to investigate the network restructuring due to the compression occurring during drying. We are interested in the spatial distribution of the network rearrangements, and their relevant lengths scales. Third, it is known that drying drops of colloidal suspensions undergo mechanical instabilities that change their shape, due to the evaporation-induced formation of a dense colloidal shell. Previous works proposed that this instability occurs when the particles in the shell aggregate forming a porous solid. However, no measurements could directly test this scenario and assess its generality with respect to changes in the drying rate and initial volume fraction of the colloidal particles.To address these questions, we tackled several experimental challenges. To produce spherical beads of colloidal gels, we developed a new experimental protocol whose soundness has been demonstrated by checking that the structural and mechanical properties of the gel beads do not differ from those of bulk gels prepared according to conventional protocols. The stiffness and structure of the beads have been tuned by varying the colloidal volume fraction (VF). Moreover, for studying the drying of beads and drops, we developed a new Dynamic Light Scattering (DLS) setup suited to probe the microscopic dynamics with space- and time-resolution of spherical samples.To impose a uniaxial compression the beads, we used a rheometer coupled with a camera, allowing for imaging the system while measuring its mechanical response. Beads prepared at high VF abruptly yielded in the linear regime breaking into pieces, while those prepared at low VF dissipated energy by deforming plastically, leading to a smooth yielding. These observations indicated a brittle-to-ductile transition (BDT), predicted theoretically but elusive in shear rheology experiments. Thus, our experimental approach opens a promising experimental avenue for further investigations of the BDT.Beads of colloidal gel were dried on top of hydrophobic surfaces, minimizing the interactions between the substrate and the gel, leading to an isotropic drying. We investigated isotropic drying through three experimental techniques: DLS, X-ray scattering and uniaxial compression tests. DLS revealed that the stresses imposed by the drying on the surface of the bead are homogeneously propagated, thus inducing rearrangements in the whole volume. X-ray scattering indicated that drying gels rearrange in a hierarchical manner, restructuring first at large length scales and then at smaller length scales, down to few particles size.The drying of drops of colloidal suspension have been investigated with our new DLS setup. We measured the evolution of the thickness of the shell and the spatial dependence of the volume fraction of the colloids. We found that above a critical evaporation rate the drop undergoes successively two distinct shape instabilities: invagination and cracking. Interestingly, the permanent aggregation of nanoparticles accompanies only the second instability, while the first one results from a reversible glass transition within the shell, unreported so far. Based on our discovery, we proposed a unified state diagram that rationalizes the drying of colloidal suspensions.