Academic literature on the topic 'Soft matter rheology'

Foods can serve as a universal route for the understanding and appreciation of rheologically complex materials. The Soft Matter Kitchen is an educational outreach project started during the COVID-19 pandemic that leverages food recipes and experiments that can be carried out at home to discuss concepts in soft matter and rheology. This educational article showcases two representative outreach demonstrations developed by The Soft Matter Kitchen with detailed instructions for reproduction by a presenter. The first demonstration introduces the concept of complex materials to clarify the definition of rheology by comparing the flow behavior of whipped cream and honey. The second demonstration introduces the concept of material microstructure affecting material properties and macroscale behavior using a simple experiment with cheesecake. By grounding the presentation of this knowledge in food materials with which the audience likely already has experience, the goals of this project are to accelerate the understanding of rheological concepts, increase awareness of rheology in everyday life, and promote the development of intuition for rheologically complex materials.

Many different physical systems, such as granular materials, colloids, foams and emulsions exhibit a jamming transition where the system changes from a liquid-like flowing state to a solid jammed state as the packing fraction increases. These systems are often modeled using soft-core particles with repulsive contact forces. In this thesis we explore several different dynamical models for these kinds of systems, and see how they affect the behavior around the jamming transition. We investigate the effect of different types of dissipative forces on the rheology, and study how different methods of preparing a particle configuration affect their probability to jam when quenched. We study the rheology of sheared systems close to the jamming transition. It has been proposed that the athermal jamming transition is controlled by a critical point, point J, with certain scaling properties. We investigate this using multivariable scaling analysis based on renormalization group theory to explore the scaling properties of the transition and determine the position of point J and some of the critical exponents.

La fracture des matériaux, omniprésente aussi bien en science des matériaux qu’en géologie, implique souvent des événements soudains et imprévisibles, sans précurseurs détectables macroscopiquement. Une compréhension approfondie des mécanismes microscopiques conduisant in fine à la rupture est requise, mais les expériences restent rares. La détection de la dynamique microscopique dans les échantillons cisaillés est expérimentalement très difficile, car elle nécessite de combiner sensibilité mécanique, qualité optique et exigences strictes sur l’encombrement. Dans ce travail, nous présentons l'une des premières tentatives réussies de mesure des précurseurs microscopiques de fracture dans des matériaux mous modèles, grâce à des mesures de la plasticité microscopique à l'aide d'un nouvel instrument, couplant une cellule de cisaillement à contrainte contrôlée à un appareil de diffusion de lumière statique et dynamique (DLS) à petits angles. Dans un premier temps, nous montrons théoriquement, numériquement et expérimentalement comment la DLS, une technique très puissante difficile à utiliser pour un échantillon sous cisaillement, peut être utilisée comme outil de mesure de la dynamique microscopique dans les systèmes mous sous cisaillement. Pour un solide parfait et un fluide visqueux simple, le champ de déplacement résultant d'une déformation de cisaillement est purement affine. Nous montrons comment les déplacements affines et non affines, qui sont présents dans de nombreuses situations d’intérêt (matériaux élastiquement hétérogènes ou en raison de réarrangements plastiques) peuvent être évalués séparément par DLS et discutons de l'effet des non-idéalités dans des expériences typiques.Ce travail est centré sur un gel colloïdal fractal modèle, dont nous caractérisons la rhéologie linéaire en loi de puissance. Nous montrons que celle-ci est décrite par un modèle phénoménologique Fractional Maxwell (FMM), et discutons la relation possible entre FMM et la structure microscopique du gel.Sous une contrainte de cisaillement constante (expérience de fluage), le gel colloïdal présente une déformation rapide élastique suivie d'un fluage lent en loi de puissance, puis, après plusieurs heures par une accélération du taux de cisaillement, entraînant la rupture retardée du gel. Nos expériences montrent que le premier régime en loi de puissance, bien décrit par la viscoélasticité linéaire, correspond à l'échelle microscopique à une dynamique partiellement nonaffine, mais entièrement réversible. Lorsque la viscoélasticité dévie de la linéarité, une accélération nette, localisée dans le temps de la dynamique non-affine, est observée. Ces réarrangements rapides précèdent la fracture macroscopique du gel de plusieurs heures: ce sont des précurseurs dynamiques de la fracture qui permettent de prédire l’évolution du gel bien avant toute mesure rhéologique.Pour obtenir une image plus complète de la fracture, nous étudions l'apparition de l'irréversibilité lors d’une perturbation cyclique répétée plusieurs fois (expérience de fatigue). En suivant l'évolution stroboscopique du système en fonction de la déformation cumulée, on constate que, au-delà du régime linéaire, le taux de relaxation augmente brusquement, signature de plasticité. Si la contrainte appliquée est suffisamment grande, le gel à long terme montre une rupture retardée, en analogie avec celle observée en fluage. Les différences et similitudes entre les deux mécanismes de fracture sont discutées.Enfin, la généralité des résultats obtenus sur les gels colloïdaux est vérifiée en étudiant comme second système modèle un verre colloïdal, dont la mise en écoulement sous contrainte oscillante est un processus progressif, pour lequel deux modes de relaxation contribuent à la dynamique observée. Les analogies qualitatives trouvées avec des systèmes similaires (par ex. des émulsions concentrées) suggèrent qu'une image unifiée pourrait être obtenue, motivant des recherches futures
Material failure is ubiquitous, with implications from geology to everyday life and material science. It often involves sudden, unpredictable events, with little or no macroscopically detectable precursors. A deeper understanding of the microscopic mechanisms eventually leading to failure is clearly required, but experiments remain scarce. The detection of microscopic dynamics in samples under shear is experimentally very challenging, because it requires to combine the highest mechanical sensitivity to strict requirements on the geometry of the whole setup and on the quality of the optical interfaces. In this work we present one of the first successful attempts to measure microscopic failure precursors in model soft solids. Here, microscopic plasticity under shear is observed using a novel setup, coupling a custom-made stress controlled shear cell to small angle static and dynamic light scattering (DLS).DLS is a very powerful technique, but its application to materials under shear is not trivial. In a first step we show a theoretical, numerical and experimental investigation of how DLS may be used as a tool to measure the microscopic dynamics in soft systems under shear. In ideal solids and simple viscous fluids, the displacement field resulting from an applied shear deformation is purely affine. Additional non-affine displacements arise in many situations of great interest, for example in elastically heterogeneous materials or due to plastic rearrangements. We show how affine and non-affine displacements can be separately resolved by DLS, and discuss the effect of several non-idealities in typical experiments.As a model system, this work mainly focuses on a fractal colloidal gel. We thoroughly characterize the linear power-law rheology of the gel, we show that it is very accurately described by the phenomenological Fractional Maxwell (FM) model, and we discuss the possible relationship between the FM model and the microscopic structure of the gel.Under a constant shear stress (creep experiment), the colloidal gel exhibits a fast, elastic deformation followed by a slow sublinear power-law creep, which is eventually interrupted after several hours by an upturn in the shear rate, leading to the delayed failure of the material. Our experiments show that the first power-law regime, nicely described by linear viscoelasticity, corresponds at the microscopic scale to partially nonaffine, yet fully reversible dynamics. Upon deviation from the linear viscoelasticity, a sharp acceleration, localized in time of the nonaffine dynamics is observed. These faster rearrangements precede the macroscopic failure of the gel by thousands of seconds: they thus are dynamic precursors of failure that allow one to predict the fate of the gel well before any rheological measurement.To obtain a more comprehensive picture of material failure, we next address the onset of irreversibility under a cyclic perturbation repeated many times (fatigue experiment). By following the stroboscopic evolution of the system as a function of the cumulated deformation, we observe that as soon as the shear amplitude is increased beyond the linear regime the relaxation rate increases abruptly, indicating that irreversible plasticity is at play. If a large enough stress amplitude is applied, the system on the long run displays delayed fatigue failure, with reminiscences of the one observed in creep. Differences and similarities between the two failure mechanisms are discussed.Finally, the generality of the results obtained on colloidal gels is checked by investigating as second model system a soft colloidal glass. In this case, our experiments indicate that oscillatory yielding is a gradual process, where two relaxation modes contribute to the observed dynamics. Qualitative analogies found with similar systems (e.g. concentrated emulsions) suggest that a general picture might be obtained with our study, which motivates ongoing and future investigations

Comportement rhéologique dépendant du temps dans les verres colloïdaux de particules déformablesNous étudions des verres colloïdaux constitués de suspensions denses de particules déformables dans un fluide suspendant. Des exemples pratiques comprennent beaucoup de matériaux pâteux tels que les encres solides, les produits de soins personnels et certaines préparations alimentaires. Ces matériaux se comportent comme des fluides à seuil d’écoulement qui répondent de façon élastique à des petites déformations mais s’écoulent au-delà d’une contrainte seuil. Beaucoup de travaux expérimentaux et théoriques ont étudié leurs propriétés rhéologiques à l’état stationnaire. Les connaissances sur la réponse transitoire lors de la mise en écoulement ou au contraire lors de l’arrêt sont beaucoup moins avancées.Nous abordons ce problème dans le cas de suspensions très concentrées de microgels polyélectrolytes dont la microstructure est bien caractérisée. Sous écoulement ces verres colloïdaux accumulent des contraintes internes d’origine élastique qui relaxent très lentement de sorte qu’ils conservent au repos la mémoire de la direction dans laquelle ils ont été cisaillés. Nous proposons plusieurs protocoles de préparation qui minimisent l’effet de ces contraintes résiduelles et permettent de réaliser des expériences dénuées de biais directionnels. Les contraintes transitoires associées à la mise en écoulement sont analysées à l’aide d’expériences systématiques, de simulations, et d’un modèle phénoménologique, à la fois pour des microgels répulsifs et associatifs. Un dernier chapitre est consacré aux propriétés viscoélastiques à haute fréquence des suspensions. Nos résultats démontrent le rôle clé de la compétition entre l’élasticité due aux interactions de contact et les forces de viscosité dans le fluide suspendant. Ceci nous permet de proposer un cadre conceptuel qui rationalise les comportements dépendants du temps des verres colloïdaux de particules déformables
Time-dependent rheology of soft particle glassesSoft particle glasses are jammed suspensions of soft and deformable particles dispersed in a viscous fluid. Common examples include pasty materials such as solid inks, personal care products, and foods. They behave as yield stress fluids, which respond elastically to small perturbations, but deform irreversibly and flow when they are subjected to large enough stresses. Many experimental and theoretical studies have focused on the steady shear rheology of these materials. However much less is known about their behavior in transient situations like flow cessation or startup flow.Here we investigate the time-dependent rheology of jammed suspensions made of well-characterized polyelectrolyte microgels. Upon flow cessation, these materials store residual stresses that relax very slowly and are responsible for long-lived directional memory and aging. We design several experimental protocols that minimize residual stresses and memory making it possible to perform startup experiments without directional bias. The behavior of the stress growth function is then analyzed and discussed using systematic experiments, simulations, and a phenomenological model for microgels with both repulsive interactions and short-range associations. A final chapter is devoted to the high-frequency linear viscoelasticity of the suspensions. Overall, our results demonstrate the key role played by the competition between elastic contact forces and viscous forces, thus providing a unifying framework to rationalize the time-dependent rheology of soft particle glasses

The goal of this thesis is to study the role of single particle elasticity in the overall behavior of particulate systems. For this purpose, we use microgel particles, which are crosslinked polymer networks immersed in a solvent. In these systems, the amount of cross-linker determines their elasticity and ultimately the stiffness of the particle. For a system of hard spheres, the phase behavior is solely determined by the volume fraction occupied by the particles. Based on the volume fraction, liquid, crystal and glassy phases are observed. Interestingly, microgel particles display a richer and fascinating set of different behaviors depending on the particle stiffness. Previous results obtained in our group show that for highly cross-linked microgels, the glass phase disappears and there are only liquid and crystalline phases. By contrast, preliminary measurements indicate that for ultrasoft microgel particles the system does not show any signature of crystalline or glassy phases. The system seems to remain liquid irrespective of volume fractions. In this Thesis, we will address this striking result using light scattering as well as rheology, in order to access both static and dynamic properties in a wide range of length and time scales. In addition, we will also perform additional studies using very stiff microgels and use their swelling capabilities to change the volume fraction. We will use hydrostatic pressure to change the miscibility of the polymer network and thus change the microgel size; the use of this external variable allows fast equilibration times and homogeneous changes throughout the sample. By using neutron scattering techniques, we study the structural and dynamical properties of the system in its different phases involved.

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

Cette thèse est une étude expérimentale des écoulements forcés de fluides sous leur propre poids à travers un orifice. La première partie traite des écoulements de fluides newtoniens. Une étude récente a montré que pour un écoulement de fluide peu visqueux à travers un orifice de taille comparable à la longueur capillaire, l'effet du mouillage était important. Il impacte le débit et la forme du jet. Nous avons développé une méthode originale utilisant d'une résine photosensible comme revêtement de surface afin de varier de façon continue les conditions de mouillage de la surface extérieure de la plaque de fond du réservoir. Ainsi, nous avons montré que le paramètre contrôlant du débit est très probablement l'angle de contact statique formé par le fluide sur le matériau constituant cette surface. Nous avons établi les conditions d'existence de la déformation du jet et montré que cette perturbation est induite par un couplage entre le mouillage et la génération de turbulence à l'intérieur de l'orifice, liée au phénomène de vena contracta. La seconde partie de cette thèse porte sur les écoulements de fluides viscoélastiques. Les expériences menées révèlent que ces solutions présentent un débit oscillant dévoilant ainsi une dynamique très riche. Contrairement aux fluides newtoniens, l'écoulement est piloté par le comportement du fluide complexe à l'intérieur de la cuve, et non au niveau de l'orifice. Deux méthodes de visualisation : par biréfringence sous écoulement et par PIV, ont été mises au point pour explorer la dynamique des écoulements de solutions de micelles géantes à l'intérieur de la cuve. Ces expériences ont permis de montrer que le cisaillement du fluide dans la cuve était très localisé et que la zone de cisaillement se déplace tout au long de la vidange. Nous avons également pu mesurer le champ de vitesse au sein de la cuve. Ces mesures ont pu démontrer la complexité de la dynamique du fluide, qui présente notamment des recirculations autour de la zone de cisaillement
This thesis is an experimental work on gravity induced flows through an orifice.The first part of this manuscript deals with flows of Newtonian fluids. A recent study showed that for flows of low-viscosity fluids through an orifice the size of which is close to the capillary length, the effect of wetting is significant. Wetting conditions impact both flow rate and jet shape. During this thesis, an original method has been developed using a photosensitive resin as surface coating to vary the wetting conditions of the outer surface of the tank bottom plate continuously. Thanks to this method, it was shown that most likely the parameter monitoring the output flow rate is the static contact angle that the outgoing fluid forms on the material of this surface. It was established the conditions for the existence of a jet deformation and showed that this disturbance originates from the coupling between wetting and generation of turbulence within the orifice related to the phenomenon of vena contracta.The second part of this manuscript deals with flows of viscoelastic fluids. Drainage experiments carried out with these solutions reveal that they exhibit oscillating flow rate showing a very rich dynamic. Contrary to Newtonian fluids, in this case flows are controlled by the behaviour of the complex fluid inside the tank, and not at the outlet orifice. Two methods of visualization, flow- induced birefringence and PIV, were developed to explore the flow dynamics of wormlike micelle solutions inside the tank. These experiments show shear localisation within the wormlike micelle solutions. It is also observed that this shear zone moves inside the tank throughout the drainage process. The velocity field within the tank was measured as well, it demonstrates the complexity of the dynamics of these solutions, showing recirculation around the shear zone

Dans ce manuscrit, j'ai brièvement décrit mes activités scientifiques depuis la soutenance de ma thèse de doctorat en physique en fin 2003. J'ai prêté une attention particulière aux recherches axées sur la rhéologie et la capture de particules des suspensions magnétiques. Une grande partie de mes recherches a été focalisée sur l'effet de la forme des particules magnétiques et de l'orientation du champ magnétique sur la contrainte seuil apparaissant dans les suspensions magnétiques suite à l'agrégation de ces particules induite par le champ appliqué. En comparant les microfibres magnétiques aux microsphères magnétiques, il a été montré que la contrainte seuil des suspensions de fibres était d'environ trois fois supérieure à celle des suspensions de sphères soumises aux mêmes conditions. Un tel effet de forme a été expliqué par (1) une perméabilité magnétique plus élevée des agrégats composés de fibres ; (2) une friction solide plus forte entre les fibres. En ce qui concerne l'effet d'orientation du champ, nous avons confirmé expérimentalement un comportement à seuil important dans le cas où le champ magnétique est orienté le long de l'écoulement ou de la vorticité. Un tel effet magnétorhéologique " longitudinal " a été expliqué par des fluctuations stochastiques des agrégats autour de leur orientation d'équilibre; ces fluctuations étant causées par des interactions magnétiques entre agrégats. Une autre partie des études a été focalisée sur la séparation magnétique des nanoparticules en vue de leur application dans la séparation de biomolécules ou l'extraction de micropolluants. On a notamment étudié l'effet de la séparation de phase sur la capture de nanoparticules par des collecteurs magnétiques (microsphères aimantées par un champ magnétique externe). Il a été montré que la séparation de phase augmente considérablement l'efficacité de capture et que ce processus est régi par trois nombres sans dimensions : la concentration en nanoparticules, le paramètre d'interaction dipolaire et le nombre de Mason qui représente le rapport des forces hydrodynamiques sur les forces magnétiques exercées sur les nanoparticules.

From a physical perspective biological cells consist of active soft matter that exist in a thermodynamic state far from equilibrium. Not only in muscles but also during cell proliferation, wound healing, embryonic development, and many other physiological tasks, generation of forces on the scale of whole cells is required. To date, cellular contractions have been ascribed to adhesion dependent processes such as myosin driven stress fiber formation and the development of focal adhesion complexes. In this thesis it is shown for the first time that contractions can occur independently of focal adhesions in single suspended cells. To measure mechanical properties of suspended cells the Optical Stretcher – a dualbeam laser trap – was used with phase contrast video microscopy which allowed to extract the deformation of the cell for every single frame. For fluorescence imaging confocal laser scanning microscopy was employed. The ratio of the fluorescence of a temperature sensitive and a temperature insensitive rhodamine dye was utilized to determine the temperatures inside the optical trap during and after Optical Stretching. The rise in temperature at a measuring power of 0.7W turned out to be enough to open a temperature sensitive ion channel transfected into an epithelial cell line. In this way a massive Ca2+ influx was triggered during the Optical Stretcher experiment. A new setup combining Optical Stretching and confocal laser scanning microscopy allowed fluorescence imaging of these Ca2+ signals while the cells were deformed by optically induced surface forces, showing that the Ca2+ influx could be manipulated with adequate drugs. This model system was then employed to investigate the influence of Ca2+ on the observed contractions, revealing that they are partially triggered by Ca2+. A phenomenological mathematical model based on the fundamental constitutive equation for linear viscoelastic materials extended by a term accounting for active contractions allowed to quantify the activity of the measured cells. The skewness and the median of the strain distributions were shown to depend on the activity of the cells. The introduced model reveals that even in measurements, that seemingly are describable by passive viscoelasticity, active contractililty might be superimposed. Ignoring this effect will lead to erroneous material properties and misinterpretation of the data. Taken together, the findings presented in this thesis demonstrate that active processes are an essential part of cellular mechanics and cells can contract even independently of adhesions. The results provide a method that allows to quantify active contractions of suspended cells. As the proposed model is not based on specific assumptions on force generating processes, it paves the way for a thorough investigation of different influences, such as cytoskeletal structures and intra-cellular signaling processes, to cellular contractions. The results present an important contribution for better mechanical classification of cells in future research with possible implications for medical diagnosis and therapy.

Ce manuscript d'Habilitation à Diriger des Recherches présente mes travaux de recherche pour la période 2000-2011, pendant laquelle je me suis intéressée à la description et à la compréhension de la dynamique d'écoulement des mousses aqueuses ainsi qu' à l'écoulement de liquide et de particules dans un tel milieu. Une brève introduction aux mousses aqueuses dé finit le matériau et ses propriétés caractéristiques ainsi qu'un vocabulaire parfois spéci fique à la communauté "mousse". Les problèmatiques et leur contexte sont présentés plus précisément au début de chaque chapitre ou sous-chapitre.

We describe a multi-scale modeling approach to model the rheology of soft matter, which can then be applied to simulate flow of viscous inorganic material in pipes and containers. Mesoscale methods, such as dissipative particle dynamics (DPD) are a key component of multi-scale modeling, as they bridge the gap between fundamental theory and continuum length scales. The paper describes a method for parameterizing DPD simulations for cements and inorganic sludges based on calculating a volume dependent cohesive energy interaction and compressive term from MD simulation with a generalized inorganic forcefield. By modifying the fluid properties through the interaction parameters one can simulate change of chemistry, such as pH or the introduction of chemicals to improve flow properties (super-plasticizers). Parameters obtained from mesoscale simulation can then be applied to simulate flow of soft matter inside pipes and containers using traditional CFD techniques. Two potential future applications in the nuclear industry are discussed in the areas of waste retrieval and encapsulation.