Auteur/autrice : ABx

– Diagramme délimitant les conditions conduisant à la formation de gouttes homogènes (a) au cours de la solidification ou mécaniquement instables présentant la formation de flambement (b) ou de fissures (c) –

Les hydrogels sont des structures poreuses tridimensionnelles qui peuvent absorber de grandes quantités d’eau. De plus ce sont des matériaux à la fois mous et fragiles. Ces propriétés s’avèrent très utiles pour de nombreuses applications biologiques, notamment la libération contrôlée de médicaments et l’ingénierie tissulaire. Leurs comportements mécaniques doivent ainsi être adaptables. C’est dans ce contexte qu’une collaboration entre le laboratoire FAST et le LIONS a été entreprise sur des hydrogels à base de particules colloïdales constituant ainsi une structure poreuse homogène. La solidification de dispersions de nanoparticules de silice peut s’effectuer par évaporation du solvant, et par la modification des propriétés physicochimiques du milieu. Ce dernier processus peut être contrôlé par l’ajout d’espèces ioniques à la dispersion. L’étude a été menée à deux échelles. A l’échelle macroscopique, des gouttes d’hydrogel déposées sur un substrat superhydrophobe ont été étudiées. Un diagramme a été élaboré afin de délimiter les conditions conduisant à la formation de gouttes homogènes au cours de la solidification ou mécaniquement instables présentant la formation de fissures ou de plis. A l’échelle microscopique des mesures de diffusion de RX ont été entreprises afin de caractériser les gels formés à l’échelle des particules et notamment leurs interactions.

Soutenance de thèse de S. N’mar le 14 novembre 2023 à 14h au laboratoire FAST (Université Paris-Saclay).

Structuration and deformation of colloidal hydrogels
S. N'Mar, L. Pauchard, P. Guenoun, J. P. Renault and F. Giorgiutti-Dauphiné
Soft Matter, vol.19, 3348-3356, 2023
https://doi.org/10.1039/D2SM01532C

– Balayage en contrainte appliqué à différents temps de vieillissement du gel enzymatique après le temps de gélification (t_gel) (T=30°C, fréquence=1 Hz) : module élastique (G’) en fonction de l’amplitude de la déformation (s). De bas en haut : t-t_gel=5, 15, 60, 260 min. L’insert montre le ratio de G’/G₀’ avec G’₀, la valeur de G’ dans le régime linéaire (f=1 Hz) en fonction de l’amplitude de la déformation –

Au cours de la fabrication fromagère, le lait se transforme en un gel enzymatique qui est ensuite découpé, agité puis égoutté pour en extraire son sérum. Les propriétés solides du gel enzymatique sont bien caractérisées par des mesures rhéologiques dans le domaine linéaire, c’est-à-dire en mesurant la résistance du solide soumis à des petites déformations qui ne l’endommagent pas. Cependant, ces mesures ne fournissent que peu d’informations sur le comportement du gel lors de grandes déformations telles que celles appliquées pendant le procédé de fabrication du fromage.

Une autre approche consiste à étudier les propriétés non linéaires du gel, c’est-à-dire lorsque la déformation n’est plus proportionnelle à la contrainte, et ceci jusqu’à sa mise en écoulement, c’est-à-dire étudier la transition solide-liquide.

Le comportement du gel de lait enzymatique dans le domaine non linéaire a donc été étudié au moyen d’essais de fluage, de fatigue et de balayage de contraintes. Après la gélification d’un lait reconstitué et son vieillissement, des mesures dans le domaine non linéaire ont été effectuées à l’aide d’un rhéomètre à contrainte imposée. La plupart des mesures ont été appliquées après une période de vieillissement d’environ dix fois le temps de gélification du lait, ceci afin d’éviter les variations importantes de modules du gel observées au tout début de la gélification. La microstructure du gel a également été observée par microscopie confocale à fluorescence.
L’un des principaux résultats des essais de fluage et de fatigue est que le gel de lait enzymatique présente une rupture irréversible et brusque, contrairement à une mise en écoulement progressif telle qu’observée pour d’autres gels colloïdaux. En outre, l’observation d’un régime de fluage d’Andrade et d’une transition gel-sol suivant la loi de Basquin pendant les essais de fluage et de fatigue, ainsi que la récupération du gel après une déformation oscillatoire, indiquent que les gels enzymatiques de lait subissent une accumulation « silencieuse » de dommages avec peu de conséquences sur les propriétés mécaniques avant la rupture.

Au cours du balayage à contrainte croissante, un comportement inhabituel est observé avant d’atteindre le régime d’écoulement : une première phase de ramollissement du gel, suivie d’une phase de durcissement. L’ampleur relative du ramollissement et du durcissement dépend à la fois de la fraction volumique de protéines formant le gel et du temps de vieillissement de celui-ci. Lorsqu’on augmente la fraction volumique de protéines, le comportement non-linéaire évolue vers une phase unique de ramollissement, tandis que le durcissement est amplifié à faible fraction volumique. Le durcissement est donc attribué à la topologie du réseau, tandis que le ramollissement serait plutôt dû aux propriétés des briques constitutives du réseau, c’est-à-dire des micelles de caséine.

Cette étude fournit une caractérisation approfondie des propriétés non-linéaires des gels enzymatiques de lait. Elle démontre également que ces propriétés changent en fonction des conditions de gélification étudiées, conditions qui sont pertinentes vis-à-vis de la transformation fromagère, à savoir, la teneur en protéines du lait ou le vieillissement du gel. Une caractérisation plus poussée de la rupture du gel, par exemple par des observations microscopiques in situ, c’est- à-dire au cours de sa déformation, permettrait de mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la mise en écoulement de ces gels et ainsi, le comportement du gel de lait pendant la fabrication fromagère, en particulier pendant sa découpe et son brassage.

Non-linear properties and yielding of enzymatic milk gels
J. Bauland, M. Leocmach, M.H. Famelart, T. Croguennec
Soft Matter, vol.18, 3562-3569, 2023
https://doi.org/10.1039/D2SM01556K

Catherine Barentin est professeure à l’Université Claude Bernard Lyon 1 et à l’Institut Lumière Matière. Catherine a été membre junior de l’Institut Universitaire de France (IUF) de 2013 à 2018.

. Quelle est votre formation et votre parcours scientifique ?

Après des études à l’ENS de Lyon au cours desquelles j’ai passé l’agrégation de physique puis le DEA de physique statistique, j’ai préparé une thèse de doctorat à l’Institut Charles Sadron (Strasbourg 1) sous la direction de Jean-François Joanny et Pierre Müller. Le sujet portait sur les propriétés statiques, dynamiques et rhéologiques de monocouches de polymères adsorbés à l’interface eau-air. Ces études qui ont mêlé expériences et théories analytiques ont permis en particulier de quantifier des viscosités de surface. Depuis, mes activités de recherche ont été consacrées à l’étude de la matière molle, de l’hydrodynamique et des interfaces. Je m’intéresse aux propriétés dynamiques de fluides complexes et au couplage entre les échelles microscopiques et les propriétés rhéologiques macroscopiques de ces fluides. J’étudie également l’influence des interfaces et du confinement sur les propriétés rhéologiques des fluides complexes. Parallèlement, je m’intéresse au glissement hydrodynamique induit par des surfaces complexes, hétérogènes et/ou superhydrophobes, lors d’écoulements de fluides simples.

. Comment ont évolué vos travaux entre expériences et théories ?

Un aspect singulier des études que j’ai menées a bénéficié des possibles allers-retours entre théories et expérimentations. J’ai toujours eu en effet la chance d’être dans un univers qui mêlait expérimentateurs et théoriciens. Cet univers a été accessible depuis mes travaux de thèse à l’Institut Charles Sadron en particulier grâce aux dialogues avec Jean-Marc di Meglio et Jean-François Joanny et la possibilité de se greffer sur un travail expérimental ou théorique. Les différentes collaborations qui ont suivi ont été toujours propices à ces allers-retours entre théories et expériences, même si mes études expérimentales ont pris plus d’importance au cours du temps.

. Quels sont les outils des sciences de la ‘matière molle’ que vous utilisez pour vos recherches passées et actuelles ?

Parmi les différents outils de la ‘matière molle’ que j’ai utilisés dans mes recherches j’en citerai un issu de la théorie, l’autre des procédés expérimentaux. J’ai pu bénéficier d’une formation très enrichissante sur les analyses dimensionnelles dès mes travaux de thèse. Du point de vue expérimental savoir moduler les propriétés physicochimiques des surfaces a été un atout à la fois pour étudier le glissement aux parois de fluides simples ou complexes, le mouillage de fluides à seuil au contact de surfaces lisses ou rugueuses ainsi que l’impact de fluides simples sur des surfaces super-hydrophobes. Ce dernier travail actuellement en cours est réalisé en collaboration avec Anne-Laure Biance.

. Quelles sont les propriétés applicatives de vos études ?

Les fluides complexes tels que les suspensions de microgels de polymères, émulsions, mousses interviennent dans pratiquement tous les domaines de la vie quotidienne, qu’il s’agisse de cosmétiques, de détergents, de produits pharmaceutiques ou agroalimentaires. Cependant un effort de recherche doit être mené afin de comprendre et de prédire les comportements de ces systèmes en particulier dans des applications spécifiques.

Actuellement j’ai deux thématiques en relation directe avec des applications industrielles.
. L’écoulement d’un fluide à seuil dans un micro-canal en laboratoire peut modéliser un écoulement dans les pores d’une roche (boues dans la nature, gels utilisés pour la fracturation hydraulique), ou bien dans un capillaire (industrie cosmétique, applications médicales). Parmi les caractéristiques spécifiques aux fluides à seuil dans cette situation, on trouve le glissement aux parois, qui est celle sur laquelle nous nous concentrons avec Marie Le Merrer. Bien que souvent peu significatif, le glissement s’observe aussi à l’échelle macroscopique. Ce travail s’applique en particulier à l’impression 3D des textiles. Lors de l’étape de coloration des textiles l’écoulement de fluides à seuil et les phénomènes d’extrusion doivent être contrôlés.
. Une seconde étude concerne le mouillage des fluides complexes et en particulier le cas des fluides à seuil pour lesquels nos intuitions sont mises à défaut. Nous travaillons en collaboration avec Saint-Gobain sur le collage des laines de verre, une situation pour laquelle un fluide complexe doit pénétrer dans une matrice. Une des complexités réside dans le fait que ce processus couple des matériaux hydrophobes (la laine de verre) et hydrophiles (le ciment).

. Nous vous savons convaincue que le GdR est d’une importance toute particulière dans la formation de jeunes chercheurs, doctorants et post-doctorants : de quelle(s) manière(s) ?

De manière générale ce que j’adore dans les GdR est qu’ils constituent l’échelle parfaite pour dialoguer au niveau du nombre de personnes impliquées. Ceci est particulièrement bénéfique pour les étudiants qui ont ainsi accès à un dialogue facilité avec d’autres chercheurs plus expérimentés de la communauté. Un GDR permet également de créer un véritable réseau pour les jeunes chercheurs qui va durer plusieurs années.