Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Rhéologie – Microscopie“

Dans ce manuscrit, nous mesurons la réponse mécanique à l’échelle nanométrique de divers systèmes issus de la matière molle en utilisant un microscope à force atomique basé sur un diapason à quartz. Utilisé comme un nano-rhéomètre, cet instrument permet une mesure quantitative des propriétés viscoélastiques des matériaux et des processus frictionnels et dissipatifs aux nanoéchelles. Nous montrons d’abord que les liquides ioniques confinés aux nanoéchelles peuvent subir un changement dramatique de leurs propriétés mécaniques, suggérant une solidification capillaire. Cette transition est favorisée par la nature métallique des interfaces confinantes, montrant la présence d’effets électrostatiques subtils dans ces électrolytes denses. Nous étudions ensuite les mécanismes de plasticité à l’échelle atomique en mesurant la réponse viscoélastique de jonctions d’or de quelques atomes de diamètre. Nous mettons en évidence une transition sous cisaillement entre un régime élastique, puis plastique, jusqu’à la liquéfaction complète de la jonction. Nous caractérisons ainsi de manière fine les mécanismes de plasticité dans ces systèmes moléculaires. Finalement, nous montrons les effets profonds que les interactions à l’échelle nanométrique peuvent avoir sur le comportement macroscopique de la matière molle. Nous mesurons le profil frictionnel entre paires de particules de suspensions de PVC et de maïzena. Nos mesures mettent en lumière le rôle dominant des interactions locales entre particules dans la rhéologie non-newtonienne des suspensions
In this manuscript, we use a tuning fork based atomic force microscope to measure the mechanical response of various soft matter systems at the nanoscale. This instrument is used as a nano-rheometer, allowing quantitative measurements of viscoelastic material properties, and unprecedented characterization of friction and dissipation at the nanoscale. First, we show that ionic liquids can undergo a dramatic change in their mechanical properties when confined at the nanoscale, pointing to a capillary freezing transition. This transition is favored by the metallic nature of the confining substrates, suggesting the occurrence of subtle electrostatic effects in those dense electrolytes. Second, we probe plasticity at the individual atomic level, by measuring the viscoelastic rheological response of gold junctions of few atoms diameter. For increasing shear, we uncover a transition from a purely elastic regime to a plastic flow regime, up to the complete shear-induced melting of the junction. Our measurements give unprecedented insights on the plastic mechanisms at play in those molecular systems. Finally, we show that nanoscale interactions can have profound effects on the macroscopic behavior of soft materials. Focusing on the nonnewtonian flow behavior of concentrated suspensions of particles, we measure the nanoscale frictional force profile between pairs of particles of PVC and cornstarch suspensions. Our measurements highlight the dominant role of local interparticle interactions on the macroscale rheology of suspensions

Les mortiers colles se composent essentiellement de ciment, de sable, de charges minérales et d'une variété d'additifs (éthers de cellulose, entraînant d'air, latex) et sont utilisés pour coller des carreaux céramique (et d'autres pièces comme la pierre, le verre, etc.) aux substrats. Ils sont généralement appliqués dans une grande surface sur le substrat sous la forme de nervures sur lesquelles les carreaux sont mis. Afin d'obtenir une bonne performance, il est important que les propriétés rhéologiques du mortier permettent un bon contact entre les carrelages, même après plusieurs minutes (temps ouvert) d'exposition aux conditions ambiantes, soit à l'intérieur soit à l'extérieur des bâtiments. A cet effet, il est nécessaire d'éviter la formation d'une couche rigide et/ou sèche à l'interface mortier-air, qui peut être difficile à déformer ou à humidifier correctement la surface de la dalle. Comme le contact initial entre le mortier et le carrelage est la première étape pour le développement des propriétés adhésives entre les matériaux, une bonne compréhension de l'évolution des propriétés rhéologiques à l'interface air-mortier est d'une grande importance pour les producteurs de mortier et les utilisateurs. Dans ce contexte, cette thèse a d'abord développé des méthodes d'évaluation des propriétés interfaciales et une technique microscopique pour visualiser le contact. Ensuite, ces techniques combinées à des essais de tack test/ squeeze et à des procédés rhéologiques déjà existants peuvent être utilisé pour évaluer comment des additifs polymères tels que l'éther de cellulose influent sur les propriétés rhéologiques du mortier adhésif dans le volume et à l'interface pour mieux comprendre les propriétés adhésives. Et enfin, avec l'utilisation de la RMN, ces propriétés pourraient être corrélées avec l'évolution de la distribution de l'eau
Adhesive mortars consist basically of cement, sand, mineral fillers and a variety of additives (cellulose ethers, air-entraining, latex) and are used to glue ceramic tiles (and other pieces like stone, glass etc) to substrates. They are usually applied in a large surface on the substrate in the form of ribs on which tiles are put. In order to obtain a good performance it is important that when the tile is installed, the mortar rheological properties allow for good contact between them, even after several minutes (open time) of exposure to ambient conditions either at internal or external building areas. For this purpose, it is necessary to avoid the formation of a rigid and/or dry layer at the mortar-air interface, which may be difficult to be deformed or wet the tile surface properly. As the initial contact between mortar and tile is the first step for the development of adhesive properties between the materials, a good comprehension of the rheological properties evolution at the air-mortar interface is of great importance for mortar producers and users. In this context, this thesis firstly developed methods to evaluate interfacial properties and a microscopical technique to visualize the contact. Then, those techniques combined with already existent squeeze flow/tack test and rheological methods can be used to evaluate how polymer additives such as cellulose ether influence the adhesive mortar rheological properties in the volume and at interface to further understand the adhesive properties. And finally, with the use of NMR, those properties could be correlated with water distribution evolution

L’incorporation de nanoplaquettes d’argile dans une matrice ou un mélange de thermoplastiques s’avère prometteur pour en améliorer les propriétés d’usage. Récemment, un procédé de synthèse hydrothermale a permis d’obtenir un hydrogel chargé de nanoplaquettes de talc, ouvrant des perspectives d’élaboration de nanomatériaux à base de talc, potentiellement concurrents de ceux à base d’argile modifié. La grande quantité d’eau, introduite dans les appareils de mise en œuvre à l’état fondu, conduit à une perte de matière minérale importante et à l’agrégation partielle du talc. Ces contraintes rendent obligatoire l’utilisation de la mini-extrudeuse, de faible capacité, pour élaborer ces systèmes multiphasiques innovants, comme les nanocomposites polyamide/talc synthétique ou les mélanges polypropylène/polyamide (PP/PA) chargés de talc synthétique. Dans une phase polaire, le talc synthétique présente une structure constituée majoritairement de nanoparticules, mais aussi d’agrégats formés lors du malaxage. Il a été montré qu’une polarité accrue de la phase polyamide facilitait la nanodispersion du talc synthétique. Dans le cas des mélanges chargés, le talc synthétique est préférentiellement localisé dans les nodules de PA. Pour un polyamide peu polaire, l’effet émulsifiant est amplifié, ce qui s’explique par la rupture des nodules au niveau de zones peu cohésives PA/talc synthétique. D’autre part, l’augmentation de la viscosité de la matrice PP entraîne une localisation partielle du talc synthétique à l’interface matrice/nodules.Les relations structure-rhéologie des systèmes binaires et ternaires ont été discutées
Addition of clay nanoplatelets within a thermoplastic matrix or immiscible thermoplastic blend usually improves final properties of materials. Recently, a hydrogel containing talc nanoplatelets has been obtained from hydrothermal synthesis, opening possibilities of development of talc based nanomaterials, which could rival the nanocomposites based on organically modified clay.The presence of large amount of water in the mixing chamber leads to significant losses of inorganic matter and to the presence of a few synthetic talc aggregates. These observations require the use of a twin screw mini-extruder which is appropriate to the elaboration of innovative multiphase materials, such as the synthetic talc/polyamide nanocomposites or the synthetic talc/polyamide/polypropylene blends.The structure of nanocomposites based on synthetic talc is mainly composed of nanometric entities, but also of a few micrometric aggregates. It has been shown that an increase of the polarity of the polyamide favours the dispersion of synthetic talc at nanometric scale.In the case of filled blends, the synthetic talc particles are preferentially located within PA nodules. The reduction of nodule size is explained by the breakup of nodules, due to numerous cohesion defects between synthetic talc nanoparticles and polyamide dispersed phase. Moreover, increasing polypropylene matrix viscosity leads to a selective localization of the synthetic talc at the nodule/matrix interface.Relationships between structure and rheology of binary and ternary systems have been discussed

Dans ce manuscrit, nous utilisons des méthodes dérivées de la microscopie à force atomique afin de mesurer, à l'échelle nanométrique, la réponse mécanique de différents systèmes. L'accent est porté sur la mise en lumière de la réponse frictionnelle et des mécanismes de dissipation à l'échelle du contact unique, où matières molle et condensée se confondent.Nous présentons premièrement le développement d'un nouvel outil expérimental permettant des mesures de nano-rhéologie et de nano-tribologie en environnement contrôlé. L'étude des propriétés mécaniques de liquides ioniques nano-confinés, avec cet instrument, nous révèle le caractère vitreux de ces électrolytes denses aux interfaces métalliques.Nous étudions par la suite les phénomènes de dissipation à l'échelle ultime, pour des jonctions métalliques de quelques atomes de diamètre. De l'absence de défauts découle une réponse plastique aux antipodes de notre expérience macroscopique.In fine, nous mettons l'accent sur l'étude de la dynamique d'une interface métallique de quelques atomes et développons de nouvelles stratégies expérimentales afin de résoudre la réponse frictionnelle du système soumis à une contrainte harmonique. Nos mesures, quantitativement reproduites numériquement, révèlent un mécanisme de friction quantifiée à l'échelle atomique
In this manuscript, we use methodes inherited from Atomic Force Microscopy in order to measure the nanoscale mechanical response of different systems. The focus is put on highlighting the frictional response and dissipation mechanisms taking place at the single asperity level, where soft and hard condensed matter meet.We first present the development of a new experimental tool allowing nanorheology and nanotribology measurement in controlled environment. The study of mechanical properties of nanoconfined RTILs with this apparatus revealed the glassy nature of these dense electrolytes at metallic interfaces.We then study the dissipation phenomena at the ultimate scale for metallic nanojunctions made of a few atoms. The absence of defects rationalizes their unexpected mechanical properties in striking difference with the macroscopic realm.In fine, we focus on the dynamics of a metallic interface made of a few atoms and develop new experimental strategies to probe the frictional response of the interface under harmonic applied stress. Our measurements are quantitatively reproduced numerically and reveal an atomic-scale quantized slip friction mechanism

L'influence de la présence de pectines sur les propriétés rhéologiques et structurales des suspensions de cellulose a été étudiée dans une double perspective : d'une part, proposer des systèmes modèles contrôlés « cellulose/pectines »ayant des propriétés texturantes intéressantes, d'autre part, mieux comprendre les propriétés mécaniques des parois végétales, notamment les mécanismes responsables de leur structuation et le rôle de chaque constituant polysaccharidique. Les propriétés rhéologiques des mélanges cellulose/pectines dans des proportions variables ont été comparées aux propriétés des constituants seuls. L'influence de la présence ou non des ions calcium et/ou sodium sur les propriétés des systèmes mixtes a été étudiée. La description de la structure des gels résultants a été étudiée par des techniques microscopiques d'observations à différentes échelles (microscopie électronique à transmission, microscopie confocale à balayage laser et microscopie à force atomique). Cette étude a permis de mettre en évidence une méthode originale de conservation des suspensions de cellulose microfibrillée par la congélation à -20°C. En présence de pectines faiblement méthylées (LM), un effet de synergie a été observé en présence d'ions calcium et sodium, donnant lieu à une augmentation des propriétés rhéologiques des composites. Les caractérisations des mélanges cellulose et pectines hautement méthylées (HM) ou moyennement méthylées (MM) riches ou pauvres en chaînes latérales d'oses neutres ont montré que, quelles que soient les caractéristiques structurales de ces pectines, les conditions ioniques du milieu et les concentrations en biopolymères, la gélification des mélanges est principalement gouvernée par la cellulose. Ainsi, le réseau cellulosique serait le principal constituant régissant les propriétés mécaniques des parois végétales. Cependant, les chaînes latérales d'oses neutres semblent jouer un rôle dans les interactions avec la cellulose, car les propriétés viscoélastiques des systèmes cellulose/pectines HM de pomme apparaissent particulièrement ntéressantes. La rigidité du gel composite cellulose/pectines est donc fortement influencée par les caractéristiques structurales des pectines. La structuration des parois végétales resulteraient donc des propriétés de solide viscoélastique de la cellulose, de ses interactions avec les pectines selon leurs caractéristiques structurales (implication des chaînes latérales d'oses neutres et des ponts calcium ponctuels) et de la répartition des composants dans le milieu.

Face aux préoccupations environnementales liées à la production du ciment Portland, la recherche d’alternatives pour une construction plus durable s’avère une nécessité. En effet, la production du ciment est responsable de l’augmentation du potentiel de réchauffement global (PRG), ce qui remet en question sa grande utilisation de point de vue environnemental. Dans cette perspective, ce projet de doctorat s’inscrit dans l’optique de la réduction de l’impact environnemental des matériaux de construction, notamment les bétons fluides à rhéologie adaptée. Les géopolymères se présentent comme l’une des alternatives intéressantes pouvant réduire l’impact environnemental de la construction. Cependant, l’introduction de ces matériaux dans le secteur de construction confronte des difficultés de compréhension de leurs mécanismes de prise et de durcissement.Ainsi, l’objectif principal de cette thèse est d’étudier l’impact de l’activateur alcalin sur le comportement rhéologique et les mécanismes de prise des géopolymères à base de cendres volantes et de poudre de verre activées ainsi que des matrices hybrides composées de ciment et de géopolymères. Plus spécifiquement, cette étude vise à améliorer les performances rhéologiques et les caractéristiques viscoélastiques de ces matrices afin de les incorporer dans la matrice des bétons fluides, notamment le béton autoplaçant. Le couplage des mesures rhéologiques avec la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la microstructure permet de comprendre les différents mécanismes régissant le comportement à l’état frais des matrices étudiées. Les résultats obtenus ont permis d’identifier les concentrations optimales de l’activateur alcalin pour obtenir les meilleures performances rhéologiques, tout en prenant en considération les performances à l’état durci requises. La méthodologie utilisée dans cette étude a permis également de lier les performances rhéologiques au processus de géopolymérisation afin d’établir une meilleure compréhension de l’état frais de ces matériaux. Finalement, l’incorporation des pâtes optimisées dans la matrice d’un béton autoplaçant a été également évaluée. Le béton autoplaçant à base de matrice hybride a montré des performances rhéologiques et mécaniques prometteuses, ainsi qu’un potentiel de réchauffement global inférieur à celui du béton autoplaçant conventionnel. Ces résultats montrent que l’utilisation de ce nouveau type de béton autoplaçant propose une solution intéressante de point de vue environnemental, tout en maintenant les performances rhéologiques et mécaniques requises
With the increase of the environmental concerns related to the production of Portland cement, the search for alternatives to achieve sustainable and rational construction is becoming a necessity. Indeed, the production of cement is responsible for the increase in global warming potential (GWP), which questions its widespread use from an environmental point of view. In this perspective, this study aims at reducing the environmental impact of building materials, in particular self-consolidating concrete (SCC). Geopolymers are one of the interesting alternatives that can reduce the environmental impact of construction. However, the incorporation of these materials in the construction markets faces difficulties as long as the understanding of their setting and hardening mechanisms is still a hot topic.The main objective of this thesis is to evaluate the impact of alkaline activator on the setting mechanisms and rheological behaviour of geopolymers based on fly ash, alkali-activated glass powders, and hybrid matrices composed of cement and geopolymers. This study aims to assess the rheological properties and viscoelastic characteristics of these matrices and evaluate the feasibility of incorporating them to design SCC. Coupling the rheological properties with other measures, including Fourier-transform infrared spectroscopy and microstructure, makes it possible to define different mechanisms governing the fresh state of the investigated matrices. The obtained results allowed to identify the optimal concentrations of the alkaline activator to achieve the required rheological properties and mechanical performance. In addition, the methodology used in this study allowed to correlate the rheological properties to the geopolymerization process. This allowed better understanding of the fresh state of these materials. Finally, the incorporation of the optimized pastes into the matrix of SCC was also evaluated. Self-consolidating concrete based on hybrid matrix has shown promising rheological and mechanical performances, as well as a lower global warming potential than conventional SCC proportioned with cementitious materials. These results proved that the use of hybrid SCC offers an interesting solution from an environmental point of view, while achieving the required rheological and mechanical performances

Cette étude s'inscrit dans le cadre d'une forme de type nanoparticule associant des hydrogels et des phospholipides. L'objectif de ce travail est l'étude des propriétés viscoélastiques d'un gel bianire associant deux polymères et une étude préliminaire du système hydrogel-phosphoolipides hydratés. Des mesures en rhéologie nous ont permis de comparer les propriétés viscoélastiques de ces gels. Il en résulte que bien que les iota- et les kappa-carraghénanes aient une structure primaire quasiment identique, les interactions entre deux formes de carraghénanes et la CMC sont différentes. L'addition de CMC provoque une augmentation de la structuration du réseau des gels de iota-carraghénanes, mais n'intervient pas dans celle des gels de kappa-carraghénanes. La présence de la CMC modifie aussi la sensibilité aux ions lors de la gélification des kappa-carraghénanes mais non celle des iota-carraghénanes. Enfin, un spectre mécanique complexe a été observé pour les iota-carraghénanes. Des mesures de DSC ont confirmé la présence d'interactions entre les macromolécules de iota-carraghénanes et de CMC dans le réseau tridimensionnel des gels binaires. Les nanoparticules sont obtenues par mélange de l'hydrogel avec des phospholipides. Après optimisation du procédé de préparation, les clichés obtenus par MEB présentent des vésicules unilamellaires homogènes en taille. L'analyse de granulométrie par corrélation de photons et microscopie électronique donne les même résultats. Une étude physico-chimique de ces nanoparticules a été réalisée en zétamétrie. Il a été montré qu'il y avait adsorption des macromolécules de polysaccharides à la surface des bicouches phospholipidiques des liposomes et lipogélosomes. De plus, il a été observé qu'en faisant varier la composition en lécithine des membranes, il est possible de moduler le phénomène d'adsorption des polymères.

Les propriétés rhéologiques de suspensions cellulaires (CHO) et tissus sont étudiées. La concentration varie sur une large gamme. En particuIier, nous avons caractérisé l’écoulement et les propriétés viscoélastiques. Le seuil d’écoulement et le module de plateau élastique varient avec la concentration et sont décrits par un modèle de structures fractales en écoulement. Ces effets sont reliés à des paramètres microscopiques. Un tissu modèle est ensuite réalisé, en incluant ces cellules dans une matrice de collagène. Pour mesurer les changements structurels, la microscopie confocale est utilisée. Un phénomène nouveau est observé, la diminution de la rigidité du gel, en présence de cellules. En effet, les cellules s’allongent dans le gel et peuvent le remodeler, en fonction de la concentration : l’adhésion des cellules est facilitée lorsque la concentration en collagène est importante, mais l’espace est restreint. Ces deux effets s’opposent mais expliquent les comportements observés
We characterize the rheological properties of cell suspensions and tissues. The suspension concentration is varied over a wide range. CHO cell suspensions are used. In particular, we are able to characterize the flow properties of cells as well as their viscoelastic properties. The concentration-dependent yield stress and elastic plateau modulus are explained in the context of fractal aggregates under shear. These effects are related to intrinsic microscopic parameters. Then a model tissue is constructed, by including the same cells in a collagen matrix. To characterize the structural changes, confocal microscopy is used. A new important feature is observed, which is the breakdown of the collagen network, due to the presence of cells. Indeed, cells elongate within the gel and can remodel it, in a concentration dependent manner: adhesion of cells is easier when collagen concentration increases, but space is reduced. These two mechanisms compete and can explain the behaviours observed

Les fluides magnétorhéologiques sont des dispersions de micro-particules magnétiques dans un fluide porteur non magnétique. Leurs caractéristiques varient avec l'application d'un champ magnétique. Le modèle de Bingham décrit le comportement des FMR pour des grandes vitesses de cisaillement. En dessous du seuil de Bingham, le comportement des FMR a reçu moins d'attention, cependant sa compréhension est nécessaire dans les interfaces homme-machine où de faibles contraintes de cisaillement sont observées. Une analyse expérimentale du comportement des FMR au cisaillement linéaire par une plaque, à de faibles taux de cisaillement, montre une réponse gouvernée par deux régimes successifs limités par un phénomène d'interface. Dans le régime initial, le FMR se comporte comme un matériau pseudo-élastique, l'élasticité observée est indépendante du champ magnétique et de la fraction volumique des particules. Le revêtement extérieur des particules magnétiques par des polymères (révélé par microscopie) est à l'origine de cette cohésion non-magnétique. Ce régime est limité par un seuil proportionnel au carré du champ magnétique et à la fraction volumique de particules. Dans le régime suivant, la déformation en cisaillement est non uniforme dans le liquide. La moyenne de la contrainte de cisaillement augmente linéairement avec la moyenne du cisaillement. Le coefficient de variation est proportionnel au carré du champ magnétique et diminue avec la fraction volumique de particules. Ce régime est limité par une perte d'adhérence des agrégats magnétiques avec la plaque de cisaillement, en cas de cisaillement avec une plaque amagnétique, ou avec le pôle magnétique en cas de cisaillement avec une plaque magnétique. La perte d'adhérence se produit à un seuil proportionnel au carré du champ magnétique et à la fraction volumique des particules et dépend de la nature de la plaque de cisaillement. Ce seuil peut être localisé au-dessus du seuil de Bingham.