Ref HAL: tel-04537099_v1
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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.

Ref HAL: hal-04389124_v1
DOI: 10.3389/frsfm.2022.1081877
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Résumé:

Recent studies of self-assembly in binary systems of bio-surfactants, either of microbial origin or saponins extracted from plants, are reviewed. Saponins in water reported in the first section include aescin, glycyrrhizin, and quillaja saponins, while rhamnolipids are discussed in the second section on microbial surfactants. Studies of surface activities are a natural starting point of the characterization of surfactants, but here we focus mainly on physico-chemical and structural properties of self-assembled bulk structures in solution, often characterized by scattering techniques. When quantitative modelling is performed, self-assembly parameters like aggregation numbers, head group areas, and resulting shapes can be followed as a function of physical-chemical parameters like concentration, composition, temperature, or pH. Morphologies include micelles and their structural evolution with addition of other bio- or synthetic surfactants, co-surfactants, proteins or phospholipids.

Ref HAL: hal-04364742_v1
Ref Arxiv: 2306.15617v1
DOI: 10.1021/acsami.3c14608
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

The interplay of soft responsive particles, such as microgels, with nanoparticles (NPs) yields highly versatile complexes that show great potential for applications, ranging from plasmonic sensing to catalysis and drug delivery. However, the microgel–NP assembly process has not been investigated so far at the microscopic level, thus hindering the possibility of designing such hybrid systems a priori. In this work, we combine state-of-the-art numerical simulations with experiments to elucidate the fundamental mechanisms taking place when microgel–NP assembly is controlled by electrostatic interactions and the associated effects on the structure of the resulting complexes. We find a general behavior where, by increasing the number of interacting NPs, the microgel deswells up to a minimum size after which a plateau behavior occurs. This occurs either when NPs are mainly adsorbed to the microgel corona via the folding of the more external chains or when NPs penetrate inside the microgel, thereby inducing a collective reorganization of the polymer network. By varying microgel properties, such as fraction of cross-linkers or charge, as well as NP size and charge, we further show that the microgel deswelling curves can be rescaled onto a single master curve, for both experiments and simulations, demonstrating that the process is entirely controlled by the charge of the whole microgel–NP complex. Our results thus have a direct relevance in fundamental materials science and offer novel tools to tailor the nanofabrication of hybrid devices of technological interest.

Ref HAL: hal-04298384_v1
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Résumé:

Le fractionnement du grain de blé, qui permet la séparation de l’albumen amylacé (au cœur) de ses parties périphériques pour produire de la farine, dépend de ses propriétés mécaniques. On distingue, chez le blé tendre, des blés dits « soft », dont l’albumen est friable, et « hard » plus résistant. Ils différent par la présence de gènes codant deux protéines spécifiques, les Puroindolines (PINs) A et B, qui sont de forme sauvage (cas des soft) ou mutés (cas des hard). Ces protéines sont impliquées dans les interactions entre les constituants majeurs du grain (amidon et protéines de réserve qui entourent les granules, capables de former un réseau aux propriétés uniques appelé gluten). Nous avons pu disposer de lignées quasi-isogéniques pour la dureté qui ne différent que par la présence de ces gènes sauvages ou mutées, alors que le fond génétique est identique, et montré que ces seuls gènes affectent les caractéristiques physiques et le comportement au broyage des grains [1,2]. Nous avons pu caractériser in situ les propriétés mécaniques respectives de l’amidon et du gluten et montré leurs différences, contrairement à ce qui est établi dans la littérature, grâce au développement d’une méthode originale où la pointe d’un Microscope à Force Atomique (AFM) est utilisée pour abraser la surface de l’échantillon à analyser [3]. Nous avons également mis en évidence des différences d’interfaces entre les polymères en fonction de la dureté du grain [4]. Enfin, nous avons utilisé la méthode de caractérisation mécanique par AFM par résonance de contact (CR-AFM) pour mesurer le module d’indentation (élastique) au sein de granules d’amidon (échelle de la centaine de nanomètres), moyennant une correction originale prenant en compte la topographie locale [5]. Cette méthode a été utilisée sur des sections de grains (céréales) et graines (légumineuses) de différentes origines botaniques pour comparer les propriétés de leurs amidons.

Ref HAL: hal-04279663_v1
Ref Arxiv: 2310.16770
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

Large groups of active cilia collectively beat in a fluid medium as metachronal waves, essential for some microorganisms motility and for flow generation in mucociliary clearance. Several models can predict the emergence of metachronal waves, but what controls the properties of metachronal waves is still unclear. Here, we investigate numerically a simple model for cilia in the presence of noise on regular lattices in one- and two-dimensions. We characterize the wave using spatial correlation and the frequency of collective beating. Our results clearly show that the viscosity of the fluid medium does not affect the wavelength; the activity of the cilia does. These numerical results are supported by a dimensional analysis, which is expected to be robust against the model for active force generation, unless surrounding fluid influences the cilia activity. Interestingly, enhancement of cilia activity increases the wavelength and decreases the beating frequency, keeping the wave velocity almost unchanged. These results might have significance in understanding paramecium locomotion and mucociliary clearance diseases.

Commentaires: 6 pages, 5 figures

Ref HAL: hal-04260533_v1
DOI: 10.1088/2515-7639/ad06cc
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Résumé:

Soft materials are usually defined as materials made of mesoscopic entities, often self-organized, sensitive to thermal fluctuations and to weak perturbations. Archetypal examples are colloids, polymers, amphiphiles, liquid crystals, foams. The importance of soft materials in everyday commodity products, as well as in technological applications, is enormous, and controlling or improving their properties is the focus of many efforts. From a fundamental perspective, the possibility of manipulating soft material properties, by tuning interactions between constituents and by applying external perturbations, gives rise to an almost unlimited variety in physical properties. Together with the relative ease to observe and characterize them, this renders soft matter systems powerful model systems to investigate statistical physics phenomena, many of them relevant as well to hard condensed matter systems. Understanding the emerging properties from mesoscale constituents still poses enormous challenges, which have stimulated a wealth of new experimental approaches, including the synthesis of new systems with, e.g., tailored self-assembling properties, or novel experimental techniques in imaging, scattering or rheology. Theoretical and numerical methods, and coarse-grained models, have become central to predict physical properties of soft materials, while computational approaches that also use machine learning tools are playing a progressively major role in many investigations. This roadmap paper intends to give a broad overview of recent and possible future activities in the field of soft materials, with experts covering various developments and challenges in material synthesis and characterization, instrumental, simulation and theoretical methods as well as general concepts.

Ref HAL: hal-04244864_v1
Ref Arxiv: 2310.14682
DOI: 10.1140/epje/s10189-023-00306-6
Ref. & Cit.: NASA ADS
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Résumé:

Small-angle scattering is a commonly used tool to analyze the dispersion of nanoparticles in all kinds of matrices. Besides some obvious cases, the associated structure factor is often complex and cannot be reduced to a simple interparticle interaction, like excluded volume only. In recent experiments, we have encountered a surprising absence of structure factors (S(q) = 1) in scattering from rather concentrated polymer nanocomposites [A.-C. Genix et al, ACS Appl. Mater. Interfaces 11 (2019) 17863]. In this case, quite pure form factor scattering is observed. This somewhat “ideal” structure is further investigated here making use of reverse Monte Carlo simulations in order to shed light on the corresponding nanoparticle structure in space. By fixing the target “experimental” apparent structure factor to one over a given q-range in these simulations, we show that it is possible to find dispersions with this property. The influence of nanoparticle volume fraction and polydispersity has been investigated, and it was found that for high concentrations only a high polydispersity allows reaching a state of S = 1. The underlying structure in real space is discussed in terms of the pair-correlation function, which evidences the importance of attractive interactions between polydisperse nanoparticles. The calculation of partial structure factors shows that there is no specific ordering of large or small particles, but that the presence of attractive interactions together with polydispersity allows reaching an almost “structureless” state.