Ecoulement et Rupture de Matériaux Colloïdaux

Flow and Fracture of Colloidal Materials

• Auteur / Autrice : Gustavo Estevam Gimenes
• Direction : Elisabeth Bouchaud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 18/12/2018
• Etablissement(s) : Paris Sciences et Lettres (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Gulliver (Paris)
• 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 : Lydéric Bocquet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Elisabeth Bouchaud, Lydéric Bocquet, Michael Falk, Véronique Lazarus, Matteo Ciccotti, Laurent Ponson, Peter Schall
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Michael Falk, Véronique Lazarus

Mots clés

Mots clés libres

Mécanique de la Rupture

Colloïdes

Matière Molle

Gels

Glasses

Fracture Mechanics

Colloids

Soft Matter

Gels

Glasses

Résumé

Dans ce travail expérimental, nous utilisons de dispositifs fabriqués à partir de technologies microfluidiques, pour analyser la rupture de deux systèmes colloïdaux amorphes très mous.Le premier est une suspension de nanoparticules de silice qui subit une transition sol-gel par addition de sel. Nous analysons l’évolution de la réponse mécanique du système, de l’écoulement à la rupture, en fonction de la distance à la transition. A une distance finie, nous cessons d’observer des fissures. Dans la région intermédiaire où le phénomène est hystérétique, écoulement et rupture coexistent. Quand des fissures sont présentes, nous analysons leur forme, ainsi que les champs de déplacement, grâce à des techniques de corrélation d’images. Cela montre que le matériau s’écoule sur une certaine distance autour de la pointe de fissure, qui augmente au voisinage de la transition.Le second matériau consiste en un verre colloïdal constitué de sphères de pNIIPAm de taille micrométrique dont les noyaux sont fluorescents. En ajustant la température, nous contrôlons sa cohésion à travers des forces de Casimir critique. Nous observons la propagation lente des fissures à l’échelle des particules par microscopie confocale. Nous montrons que la propagation intermittente résulte de la coalescence de la fissure avec des microfissures formées à l’aval de sa pointe. Nous identifions une zone de process, où l’on observe des ruptures de liaisons et un réarrangement des particules. En mesurant les déformations locales par corrélation d’images et par le suivi de particules, nous élucidons l’interaction de l’endommagement et de la propagation de la fissure. Ces résultats révèlent les mécanismes à l’origine de la défaillance mécanique des systèmes amorphes.

In this experimental work, we use new devices fabricated with microfluidic technologies in order to analyze the fracture of two very soft amorphous colloidal systems.The first system is a colloidal suspension of silica nanoparticles which undergoes a sol-gel transition with the addition of salt. We analyze the evolution of the mechanical response of the system to an external tensile stress, from flow to fracture, as a function of the distance from the transition. We cease to observe cracks at a finite distance from the transition. In an intermediate region where the phenomenon is hysteretic, both flow and fracture coexist. When cracks are present, we analyze their shape, as well as the displacement field around the crack tip by Digital Image Correlation. This shows that the material flows over a certain distance around the crack tip, that increases in the vicinity of the transition.The second material consists of a model glass made of micrometric-sized pNIIPAm microgel spheres with fluorescent cores. By tuning the temperature, we control the cohesiveness of the system through colloidal Casimir forces. We observe directly the slow propagation of cracks at the particle scale with confocal microscopy. We show that intermittent propagation results from the coalescence of the crack with microcracks formed ahead of its tip. We identify a process zone, where both bond breaking and structural rearrangements of particles are observed. By measuring local strains with Digital Image Correlation and Particle Tracking, we elucidate the interplay of strain-induced damage and crack propagation. These results reveal the underlying mechanisms at the origin of the mechanical failure of amorphous systems.