Rhéologie des films granulaires // Rheology of granular soap films

Les recherches menées dans la lignée des travaux pionniers de Pickering ont récemment permis de produire de nouveaux objets que l'on peut décrire comme des bulles de savon blindées et que l'on appelle des billes de gaz [1]. Il s'agit de particules solides de la taille d'un micron piégées dans un film de savon qui se referme sur lui-même pour former une bulle. La résistance mécanique exceptionnelle de leur enveloppe granulaire leur promet de nombreuses applications [2]. Parmi celles-ci, nous notons ici que l'utilisation de billes de gaz peut être pertinente pour la génération de matériaux à porosité hiérarchique. En outre, ces nouvelles billes creuses offrent une voie prometteuse vers de nouveaux amortisseurs de vibrations et l'isolation des bâtiments, par exemple.
Cependant, les propriétés mécaniques des films granulaires et, plus généralement, des interfaces chargées de particules sont partiellement incomprises. Des expériences récentes menées au laboratoire FAST ont montré que les films granulaires de savon et les radeaux granulaires ont le même comportement et appartiennent à la classe générale des milieux granulaires attractifs [3,4] avec une rhéologie non locale. Ainsi, une fois la pression de confinement contrôlée, les interfaces chargées de particules constituent un modèle 2D de milieu granulaire attractif qui peut être utilisé pour confronter l'expérience aux modèles théoriques et numériques [5]. De plus, les milieux décrits avec une rhéologie non locale peuvent présenter une zone quasi-statique où les réarrangements de particules se produisent par des mécanismes de type avalanche qui doivent être étudiés.
L'objectif de la thèse est d'abord d'étudier la rhéologie de l'interface chargée de particules à une pression imposée et pour des phases continues de différentes propriétés afin de comparer les résultats avec un modèle rhéologique récent et de démêler le rôle de la phase continue. Dans un second temps, les réarrangements qui se produisent dans le régime quasi-statique seront étudiés. En effet, profitant de la nature 2D du film granulaire, la microstructure et les réarrangements peuvent être étudiés par analyse d'image grâce à une caméra numérique rapide.

[1] Y . Timounay , O. Pitois, F. Rouyer, Gas Marbles: Much Stronger than Liquid Marbles, Phys. Rev . Lett. (2017). doi:10.1103/PhysRevLett.118.228001.
[2] “Gas Marbles” Store Air in Strong Spheres, June 2, 2017• Focus Physics 10, 62. “Fortified gas marbles are 10 times stronger than regular bubbles”, Daily news, News Scientist, 8 June 2017. “Gas marbles are tough when squeezed”, Physics Today , 5 Jul 2017 in Research & Technology .
[3] J. Lalieu, A. Seguin & G. Gauthier, Rheology of granular rafts, Phys. Rev . E 107, 064901 (2023).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.107.064901
[4] J. Lalieu, A. Seguin & G. Gauthier, Rheology of a 2D granular film, Soft Matter 19, 6838-6843 (2023). DOI: 10.1039/D3SM00472D.
[5] T. Vo, S. Nezamabadi, P . Mutabaruka, J-Y . Delenne, F. Radjai, Additive rheology of complex granular flows. Nat. Com. 11, 1476 (2020).
[5] T. Vo, S. Nezamabadi, P . Mutabaruka, J-Y . Delenne, F. Radjai, Additive rheology of complex granular flows. Nat. Com. 11, 1476 (2020).
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Research in line with the pioneer work of Pickering succeeded recently to produce new objects which can be described as an armored soap bubble and are named gas marbles [1]. It consists of micron size solid particles trapped in a soap film closed upon itself to form a bubble. The exceptional mechanical strength of their granular shell promises them to many applications [2]. Among these, we note here that using gas marbles can be relevant for the generation of materials with hierarchical porosity. Moreover, these new hollow marbles offer a promising route to new vibration dampers and building insulation for instance.
However, the mechanical properties of granular films and more generally particle laden interfaces are partially misunderstood. Recent experiments conducted at the FAST laboratory have shown that granular soap films and granular rafts share the same behavior and belong to the general class of attractive granular media [3,4] with a non-local rheology. Thus, once the confining pressure is controlled, particle laden interfaces constitute 2D model of attractive granular media than can be used to confront experiment to theoretical and numerical models [5]. Moreover, media that are described with a non-local rheology may present a quasi-static zone where particle rearrangements occur from avalanche like mechanisms that must be studied.
The aim of the PhD is first to study the rheology of particle laden interface at imposed pressure and for continuous phases of different properties to compare the results with recent rheological model and unravel the role of the continuous phase. In a second time the rearrangements that occur in the quasistatic regime will be studied. Indeed, taking advantage of the 2D nature of the granular film, microstructure and rearrangements can be studied through image analysis thanks to a digital fast camera.

Bibliography:
[1] Y . Timounay , O. Pitois, F. Rouyer, Gas Marbles: Much Stronger than Liquid Marbles, Phys. Rev . Lett. (2017). doi:10.1103/PhysRevLett.118.228001.
[2] “Gas Marbles” Store Air in Strong Spheres, June 2, 2017• Focus Physics 10, 62. “Fortified gas marbles are 10 times stronger than regular bubbles”, Daily news, News Scientist, 8 June 2017. “Gas marbles are tough when squeezed”, Physics Today , 5 Jul 2017 in Research & Technology .
[3] J. Lalieu, A. Seguin & G. Gauthier, Rheology of granular rafts, Phys. Rev . E 107, 064901 (2023).
https://doi.org/10.1103/PhysRevE.107.064901
[4] J. Lalieu, A. Seguin & G. Gauthier, Rheology of a 2D granular film, Soft Matter 19, 6838-6843 (2023). DOI: 10.1039/D3SM00472D.
[5] T. Vo, S. Nezamabadi, P . Mutabaruka, J-Y . Delenne, F. Radjai, Additive rheology of complex granular flows. Nat. Com. 11, 1476 (2020).
[5] T. Vo, S. Nezamabadi, P . Mutabaruka, J-Y . Delenne, F. Radjai, Additive rheology of complex granular flows. Nat. Com. 11, 1476 (2020).
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrats ED : Programme blanc GS-SIS*

Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes

579 Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences

Le candidat devra avoir une bonne formation en mécanique des fluides et des solides, ainsi que des connaissance de base en chimie. Il devra avoir un intérêt pour l'approche expérimentale de la recherche.
The candidate should have a good background in fluid and solid mechanics, as well as basic knowledge of chemistry . They should have an interest in experimental research.