Doctorat de Physique Expérimentale - Mousses Liquides Adhésives H/F CNRS

Détail du poste

Bulles collantes et nouvelles mousses liquides
Contexte de travail
Les mousses liquides jouent un rôle central dans la transition écologique et énergétique. Grâce à leurs excellentes propriétés d'isolation thermique, elles optimisent l'efficacité énergétique des bâtiments et des infrastructures. Elles présentent de nombreuses applications, telles que le nettoyage et la décontamination des surfaces et des espaces confinés, la capture et le contrôle des poussières sur les chantiers de construction ou les sites industriels, le traitement des eaux usées, ou encore la séparation par flottation des matériaux finement divisés. Par ailleurs, de nouveaux procédés émergent, exploitant les propriétés des mousses pour extraire les métaux précieux issus du recyclage des appareils électroniques (urban mining), contribuant ainsi à une gestion plus durable des ressources et des déchets urbains. D'autres applications potentielles incluent l'amélioration et la réhabilitation des sols, ainsi que le stockage du CO2 en sous-sol. Les mousses liquides sont des matériaux multifonctionnels qualifiés de « complexes », car elles sont composées d'un ensemble de bulles de tailles et de concentrations variables dans un liquide. Pour exploiter pleinement leurs avantages, il est essentiel de maîtriser leurs techniques de production, de contrôler leur évolution au fil du temps (vieillissement), et de prédire leurs propriétés physiques, aussi bien à l'état liquide qu'à l'état solide (durci). Malgré les progrès significatifs de la recherche au cours des vingt dernières années, de nombreux aspects restent encore à approfondir.
Nous proposons d'explorer un nouveau type de mousse liquide dont les bulles, au lieu de se repousser comme dans les mousses classiques, adhèrent les unes aux autres lors du contact, jusqu'à ce qu'une force suffisante les sépare. Ces mousses à bulles adhésives constituent un domaine encore inexploré, ouvrant ainsi un champ de recherche inédit, riche en découvertes potentielles et en perspectives d'application. L'adhésion entre bulles devrait modifier en profondeur l'organisation interne de la mousse, donnant lieu par exemple à des structures denses où les bulles forment un réseau compact, entrecoupé d'espaces inoccupés (voir illustration). Ces changements microstructuraux influencent nécessairement les propriétés mécaniques et dynamiques de la mousse. L'objectif de cette thèse est d'étudier ces propriétés et d'en dégager les principales caractéristiques.
L'effet de l'adhésion entre les bulles sur la microstructure de la mousse sera étudié sous deux aspects : d'une part, dans une mousse au repos, en analysant l'agencement des bulles en fonction de leur fraction volumique ; d'autre part, lors d'un écoulement dans des géométries confinées (microfluidique), conçu pour induire des réarrangements topologiques et examiner la réorganisation des bulles qui en découle. Cette approche permettra de manipuler ces bulles adhésives afin de les placer dans une configuration inédite, où de petits groupes de bulles fortement imbriquées forment des « clusters » distincts les uns des autres. Cette microstructure originale pourrait donner naissance à des mousses aux propriétés innovantes, ouvrant la voie à de nouvelles applications.
La contrainte nécessaire pour mettre en écoulement une mousse liquide et maintenir une certaine vitesse de déformation (cisaillement) est une grandeur supposée très sensible aux forces d'adhésion qui peuvent apparaître aux contacts entre les bulles. La relation entre la contrainte et le taux de cisaillement sera mesurée à l'aide d'un rhéomètre afin de quantifier cet effet en fonction de l'intensité des forces d'adhésion et de la fraction volumique occupée par les bulles. Cette étude permettra de déterminer la fraction critique en-dessous de laquelle les forces d'adhésion dominent les interactions entre les bulles.
Le mûrissement est un processus clé dans l'évolution des mousses, car il entraîne l'augmentation de la taille moyenne des bulles au fil du temps. Ce phénomène résulte des échanges de gaz entre les bulles par diffusion du gaz dissous dans le liquide. Là encore, la présence d'adhésion entre les bulles devrait avoir un impact significatif, d'autant plus que la fraction volumique occupée par les bulles est faible. Le mûrissement sera étudié dans une cellule en rotation, permettant de compenser les écoulements gravitaires induits par la forte différence de densité entre les bulles et le liquide qui les suspend. L'acquisition d'images au fil du temps, associée à des outils de traitement d'images assistés par IA, permettra d'analyser l'évolution de la distribution des tailles de bulles et de leur taille moyenne, mettant ainsi en évidence le rôle joué par l'adhésion. Le mûrissement sera également étudié sous l'effet d'un cisaillement appliqué à la mousse, qui contrôle la durée des contacts transitoires entre les bulles. On s'attend à ce que cette durée entre en compétition avec celle associée à la formation des contacts sous l'action des forces d'adhésion, ce qui devrait se traduire par une modification significative de l'évolution de la taille moyenne des bulles. Le temps de formation d'un contact adhésif sera par ailleurs étudié à l'aide d'un dispositif dédié permettant de réaliser une collision' contrôlée entre deux bulles.