PhD position on « Brittle-to-Ductile Yielding Transition in Colloidal Gels and Glasses »

PhD Project: Brittle-to-Ductile Yielding Transition in Colloidal Gels and Glasses

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Understanding the response of soft materials under stress is of paramount importance, both fundamentally and in applications. Very often, the mechanical response of the material is dictated by its interactions with surfaces. To overcome this issue and probe the intrinsic properties of materials, we will produce unique spherical beads of gel and glasses of millimetric size. The gels and glasses are based on colloidal particles. The gels consist in a homogeneous porous stress-bearing network structure and the glasses consist in a dense packing of the particles. Our objective is to rationalize the fate of the beads under a mechanical compression, and especially understand how they yield. We want to investigate the complex interplay between the flow of liquid through the pores (the poroelasticity), the plasticity and fracture of the structure. We expect to unveil the physical mechanisms that control whether a bead of gel or glass yields in a brittle or ductile manner.

We will use a multiscale approach that combines mechanical measurements under compression, image analysis, and time- and space-resolved light scattering. We will explore several strategies to produce unique beads of colloidal gels and glasses with tunable toughness and brittleness. We will build an optical set-up to measure with a space and time resolution the microscopic rearrangements of the colloids in the bead during compression. We will measure concomitantly the mechanical response of the bead to the compressive stress and image the overall behavior of the bead.

The work will be performed within the Soft Matter Team (https://www.softmatter-l2c.fr/) of the Laboratoire Charles Coulomb in Montpellier, France, under the supervision of Laurence Ramos and Luca Cipelletti, in close collaboration with Christian Ligoure.

Expected starting time: September 2024

Postdoctoral application in soft matter physics:,Liquid crystals with a twist

Dear All,

We are seeking for a candidate that is interested in the areas « Physics of chiral cholesteric liquid crystals: design, optics, and structure » and « Biological liquid crystals with their biomimetic versions ». The summary of the proposal is available at:

https://emploi.cnrs.fr/Offres/CDD/UMR7010-MICMIT-001/Default.aspx

The full information may be provided on request to: michel.mitov@univ-cotedazur.fr

Proposition de thèse au laboratoire SIMM, ESPCI

titre de la thèse: Frottement des hydrogels et interactions moléculaires entre polymères et surfaces

Encadrement : Émilie Verneuil, Antoine Chateauminois (SIMM, ESPCI)

plus d’informations sur: these_ed397_2024_web_simm

(gauche) Schéma de l’expérience de frottement entre le gel et une sphere en silice : la vitesse V et la force normale Fn sont imposées et on mesure la force de frottement Ft (droite) Cette mesure macroscopique permet d’accéder aux caractéristiques physiques des mécanismes moléculaires à l’origine du frottement : Les chaines polymères du gel s’adsorbe sur la silice, elles sont ensuite étirées lors du glissement de la silice par rapport au gel, puis se désorbent quand la force f de rappel élastique devient trop grande. Ce processus dissipatif est à l’origine du frottement, qui dépend de l’énergie d’adsorption moléculaire et de l’élasticité des chaines. L’expérience permet donc une mesure des interactions moléculaires.

Résumé

La description de la dynamique des polymères près des surfaces solides est d’une grande importance pour la mécanique, l’adhésion, la friction ou les écoulements aux interfaces, car ils définissent les conditions limites et, à partir de celles-ci, l’ensemble de la réponse dynamique macroscopique de systèmes polymères. Cependant, il peut être difficile d’obtenir directement les caractéristiques physiques des potentiels d’interactions polymère/substrat (temps de vie, amplitude). En effet, la dynamique des polymères aux interfaces associe fortement les interactions polymère/substrat et les interactions polymère/polymère en volume.

Afin d’isoler les interactions polymère/substrat, nous avons mis au point des expériences de frottement spécifiques dans lesquelles une sonde sphérique en verre tourne sur elle-même et glisse sur des réseaux de polymères gonflés, souvent appelés gels. Dans ces systèmes dilués, nous avons montré que les mesures de la dépendance en vitesse de la force de frottement permettent de mesurer l’énergie d’interaction polymère/substrat ainsi que la densité de surface des sites d’adsorption [1]. A cette fin, les résultats expérimentaux ont été analysés dans le cadre d’un nouveau modèle théorique qui est basé sur l’hypothèse que l’énergie est dissipée à l’interface de glissement au cours d’une séquence accrochage – étirement – désorption et rétraction des chaînes de polymères de la surface du gel sur le substrat de verre.

Dans le cadre de ce projet, nous visons une meilleure description du potentiel d’interaction entre les chaînes de polymères et la surface du verre en explorant le régime très peu étudié des faibles vitesses de glissement (typiquement inférieures au micron par seconde). En effet, dans la littérature, des données expérimentales et des modèles théoriques développés dans le contexte de la spectroscopie de force à molécule unique [2,3] en biophysique suggèrent que ce régime de faible vitesse pourrait fournir de nouvelles informations concernant la durée de vie et l’amplitude des interactions moléculaires à l’interface. Nous explorerons ce régime en jouant sur la physico-chimie de l’interface. Pour cela, la physico-chimie de la sonde de verre sera variée par le greffage de mélanges de différents silanes. De plus, nous modifierons la surface du gel par le greffage de polymères aux propriétés physico-chimiques différentes (polyélectrolytes, longueurs de chaines variées…) afin de moduler les interactions moléculaires à l’interface.

Profil et compétences recherchées

Un candidat physicien ou physico-chimiste ayant un goût pour l’expérimentation est recherché. Des connaissances en physique de la matière molle et sur la physico-chimie des surfaces seront appréciées

References
1. L. Ciapa, L. Olanier, Y. Tran, C. Frétigny, A. Chateauminois & E. Verneuil, Friction through molecular adsorption at sliding interfaceof hydrogels : theory and experiments, submitted to Soft Matter
2. Friddle, R. W., Noy, A. & De Yoreo, J. J. Interpreting the widespread nonlinear force spectra of intermolecular bonds. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 109, 13573–13578 (2012).
3. Friddle, R. W., Podsiadlo, P., Artyukhin, A. B. & Noy, A. Near-Equilibrium Chemical Force Microscopy. J. Phys. Chem. C 112, 4986–4990 (2008)