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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.