Les nanocristaux de cellulose : des gels aux matériaux solides

Cellulose nanocrystals : From gels to solid materials

• Auteur / Autrice : Lise Morlet-Decarnin
• Direction : Sébastien Manneville
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 08/07/2024
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Christopher Patrick Royall
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sébastien Manneville, Christopher Patrick Royall, Laurence Ramos, Martin Lenz, Roberta Angelini, Yu Ogawa, Thibaut Divoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurence Ramos, Martin Lenz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Colloïdes

Rhéologie

Nanocristaux de cellulose

Matière molle (physique)

Mots clés libres

Matière molle

Nanocristaux de cellulose

Rhéologie

Gels

Soft Matter

Cellulose nanocrystals

Rheology

Gels

Résumé

Les nanocristaux de cellulose (CNC) sont des particules solides en forme de bâtonnets, chargées négativement en surface. Suspendus dans de l’eau salée, les CNC s’agrègent pour former des gels qui peuvent servir de précurseurs mous à la fabrication de matériaux solides biosourcés, auxquels ils transmettent en partie leurs propriétés mécaniques remarquables.Le but de cette thèse est, tout d’abord, de comprendre les propriétés mécaniques des gels de CNC par mesures rhéologiques. L’étude de la dynamique de gélification de ces gels et l’établissement de principes de superposition temps-connectivité et temps-composition, nous a permis de montrer, d’une part, l’existence d’un scénario universel pour la formation et le vieillissement de gels de CNC, et d’autre part, l’équivalence d’un point de vue structural entre la concentration en sel et l’âge d’un gel. Nous avons ensuite étudié la rupture et la fluidification induite par cisaillement de ces gels de CNC. Nous avons notamment montré que cette rupture peut être abrupte (« fragile ») ou graduelle (« ductile ») selon l’âge du gel et le taux de cisaillement appliqué, et que cette transition présente certains traits universels vis-vis de la composition des gels.Enfin, nous avons commencé à étudier le passage d’un matériau mou à un matériau solide, à travers deux processus de solidification différents : le séchage et la congélation. Nous avons montré que ces deux processus induisent la formation de structures bien particulières au sein du matériau solide, en partie dues à l’alignement des CNC, et dont les caractéristiques peuvent être contrôlées par les conditions aux bords ou encore par la vitesse de solidification.

Cellulose nanocrystals (CNC) are solid rod-like particles with a large negative surface charge. When suspended in water in the presence of salt, CNCs aggregate and form gels. Such gels can be used as soft precursors in the design of biosourced solid materials, to which they transmit part of their remarkable mechanical properties.The goal of the present thesis is, first, to probe the mechanical properties of CNC gels using rheology. The study of the gelation dynamics of such gels and the establishment of time-connectivity and time-composition superposition principles have allowed us to show (i)~the existence of a universal scenario for the formation and aging of CNC gels, and (ii)~the structural equivalence between the salt concentration of a gel and its age. Then, we have studied the shear-induced failure and fluidization of CNC gels. In particular, we have shown that the failure can be abrupt (``fragile'') or gradual (``ductile'') depending on the gel age and on the applied shear rate.Finally, we have performed a preliminary study of the transition from a soft material to a solid material, through two different solidification processes: drying and freezing. We have shown that the two processes induce the formation of specific microscopic structures inside the solid material, partially due to CNCs alignment, whose characteristics can be controlled by the boundary conditions or by the solidification speed.