Matériaux composites souples à inclusions fluides pour applications de hautetechnologie

Soft composite materials with fluid inclusions for high-tech applications

• Auteur / Autrice : Malika Saad saoud
• Direction : Alain Celzard, Jean Zaraket
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 12/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IJL - INSTITUT JEAN LAMOUR

Mots clés

Mots clés libres

Composites

Elastomères silicone

Nanofluides

Microfabrication

Propriétés physiques

Modélisation

Composites

Silicone elastomers

Nanofluids

Microfabrication

Physical properties

Modeling

Résumé

Le projet proposé est à la convergence de différents domaines tels que la physique de la matière molle, l'électromagnétisme, les polymères et les micro- et nanotechnologies. L'objectif de la thèse est de réaliser des composites souples avec des inclusions à base de nanofluides et d'étudier les propriétés correspondantes, en fonction de la nature des nanofluides encapsulés. Nous développerons de nouveaux composites multifonctionnels et étudierons les propriétés induites par le mouvement des nanoparticules dans les inclusions fluides d'un polymère souple et/ou transparent (Fig. 1). Ces résultats seront utilisés pour développer des matériaux intelligents, c'est-à-dire capables de convertir un stimulus externe (mécanique, thermique, électrique, magnétique, etc.) en une réponse d'une autre nature, conduisant à de nouveaux dispositifs reconfigurables pour des applications en ingénierie : biomédical, robotique flexible, haptique, énergétique, photonique, etc. La thèse, très exploratoire, se propose d'étudier ces effets dans quelques cas bien choisis. Les premières études théoriques, corroborées par quelques rares études expérimentales, ont en effet conclu à l'émergence de propriétés améliorées en termes de réponse à des stimuli externes (champs électriques et magnétiques, ondes, température, ...) par rapport à ces mêmes nanofluides pris indépendamment d'une part, ou par rapport à des composites dans lesquels les particules sont fixées à la matrice polymère d'autre part. En d'autres termes, ces nouvelles propriétés sont induites par la liberté de mouvement des particules dans les inclusions fluides du polymère. La thèse se déroulera en trois étapes. La première consistera à développer un savoir-faire permettant l'encapsulation de tout nanofluide dans une matrice élastomère, comme le PDMS par exemple, soit sous forme de gouttes en réseau régulier ou en motif aléatoire, soit sous forme de canaux de différentes géométries et avec une connectivité contrôlée. Il sera nécessaire de pouvoir faire varier à la fois la fraction volumique de la phase liquide et de permettre l'installation d'électrodes traversant le composite de manière étanche pour éventuellement activer électriquement les nanofluides. La deuxième étape consistera à caractériser les matériaux obtenus, et en particulier à étudier les différentes propriétés en fonction des stimuli externes appliqués et de la nature des nanofluides encapsulés. La réalisation de montages expérimentaux associés, ou la modification de montages existants, est à prévoir. Enfin, une troisième étape consistera à modéliser les résultats obtenus afin d'optimiser les composites avec inclusions de nanofluides, en fonction des propriétés souhaitées. Cela impliquera une modification raisonnée de la conception des composites ainsi que de la formulation des nanofluides.

The proposed project is at the convergence of different fields such as soft matter physics, electromagnetism, polymers, and micro- and nanotechnologies. The objective of the thesis is to realize soft composites with nanofluid-based inclusions and to study the corresponding properties, depending on the nature of the encapsulated nanofluids. We will develop new multifunctional composites and study the properties induced by the movement of nanoparticles in fluid inclusions of a flexible and/or transparent polymer (Fig. 1). These results will be used to develop smart materials, i.e., capable of converting an external stimulus (mechanical, thermal, electrical, magnetic, etc.) into a response of another nature, leading to new reconfigurable devices for applications in engineering: biomedical, flexible robotics, haptics, energetics, photonics, etc. The thesis, which is very exploratory, proposes to study these effects in a few well-chosen cases. First theoretical studies, corroborated by some rare experimental studies, have indeed concluded to the emergence of improved properties in terms of response to external stimuli (electric and magnetic fields, waves, temperature, ...) compared to these same nanofluids taken independently on the one hand, or compared to composites in which the particles are attached to the polymer matrix on the other hand. In other words, these new properties are induced by the freedom of movement of the particles in the polymer fluid inclusions. The thesis will take place in three steps. The first one will consist in developing a know-how allowing the encapsulation of any nanofluid in an elastomeric matrix, such as PDMS for instance, either in the form of drops in a regular network or in a random pattern, or in the form of channels of different geometries and with a controlled connectivity. It will be necessary to be able to vary at the same time the volume fraction of liquid phase and to allow the installation of electrodes crossing the composite in a tight way to possibly electrically activate the nanofluids. The second step will be to characterize the obtained materials, and in particular to study the various properties according to the external stimuli applied and the nature of the encapsulated nanofluids. The realization of associated experimental setups, or the modification of existing setups, is to be expected. Finally, a third step will consist in modeling the obtained results in order to optimize the composites with nanofluid inclusions, according to the desired properties. This will involve the reasoned modification of the design of the composites as well as the formulation of the nanofluids.