Travaux de Recherche

Modélisation des processus physico-chimiques d'intérêt géologique

• Etude par dynamique moléculaire des propriétés thermodynamiques, dynamiques et structurales des silicates naturels fondus.

• Solubilité des gaz rares et dégazage du manteau terrestre

A suivre...

Propriétés génériques et universalité en fragmentation

en collaboration avec Heli Hietala, Serguei Mechkov et François Sausset, (étudiants en thèse ou en stage de Master M2 au LPTMC).

Des noyaux atomiques aux supernovae, en passant par les assiettes et les roches, tout système physique peut être fragmenté, à condition de lui apporter une énergie suffisante par rapport à son énergie de cohésion. La fragmentation joue un rôle fondamental dans des domaines aussi variés que la détermination du diagramme de phase de la matière nucléaire, les éruptions volcaniques, ou la formation des planètes. Par ailleurs, environ 30% de la consommation totale d'énergie dans le monde est utilisée lors de processus industriels de fragmentation. Malgré cette diversité d'échelles de longueurs et de matériaux, la fragmentation présente des comportements génériques, peut-être universels. Ainsi, la distribution en taille des fragments obéit fréquemment à une loi de puissance caractérisée par un exposant noté τ. Cette loi d'échelle, mise en évidence par des expériences en laboratoire ou des observations de phénomènes naturels, suggère l'existence de classes d'universalité en fragmentation. Mais à ce jour, les théories et modèles ne parviennent pas à rendre compte de la dispersion des valeurs mesurées de l'exposant τ (entre 1 et 2.5 environ). La question de l'universalité en fragmentation reste donc ouverte.

La dynamique moléculaire est un outil idéal pour étudier ce phénomène irréversible et fortement hors d'équilibre qui pourrait dépendre de nombreux paramètres comme la dimension de l'espace, la forme, la taille ou le matériau de l'objet.

Le système modèle que nous proposons est constitué de particules bidimensionnelles interagissant par un potentiel central de type Lennard-Jones, avec une attraction à courte portée pour décrire les interactions à une échelle mésoscopique. Dans un premier temps, nous avons choisi d'étudier la fragmentation d'un disque envoyé contre un mur avec une certaine vitesse d'impact, le paramètre de contrôle de cette étude. Les calculs de dynamique moléculaire permettent alors de suivre l'évolution du système et de calculer la distribution en taille des éventuels fragments. Notons que nos résultats sont peu sensibles au choix du potentiel d'interaction, ce qui indique une certaine universalité, confirmée par des expériences.

A faible vitesse d'impact, le disque rebondit sur le mur après avoir subit des déformations élastiques, voire plastiques. Lorsque la vitesse d'impact augmente, le disque se fragmente.

A suivre...

Gélification des suspensions colloïdales

en collaboration avec Antonio Coniglio, Antonio de Candia, Emanuela del Gado, Analisa Fierro et Marco Tarzia de l'université Federico II de Naples, Italie.

Une suspension colloïdale est un ensemble de particules mésoscopiques dispersées dans un fluide porteur. Ces particules peuvent être solides ou liquides (on parle alors d'émulsions) et leur taille est typiquement comprise entre quelques nanomètres et quelques micromètres. Cette définition très générale regroupe une large variété de systèmes physico-chimiques présents dans la nature (comme le sang ou le lait) et dans le monde industriel (par exemple la peinture et les produits cosmétiques et agro-alimentaires).

En modifiant les propriétés physico-chimiques d'une suspension colloïdale, les expérimentateurs peuvent contrôler les interactions entre les particules et en particulier choisir la portée et l'intensité de l'interaction attractive, qui est typique des fluides simples atomiques. Ainsi, depuis une dizaine d'années, des expériences sur les systèmes colloïdaux ont mis en évidence des comportements thermodynamiques (transitions de phase) et dynamiques (transition vitreuse) rappelant ceux des systèmes atomiques. Mais à la différence de ces derniers, la grande taille des particules - comparée à celle des atomes du fluide porteur - non seulement facilite une observation directe et l'étude de leurs propriétés dynamiques, mais donne également lieu à des phénomènes mal compris comme la gélification colloïdale : à basse fraction volumique, et lorsque l'attraction entre les particules est élevée (ou à basse température), les particules ont tendance à former des amas dispersés dans une phase désordonnée (« cluster phase ») observée par microscopie confocale (voir figure 1). Puis, en augmentant la fraction volumique, le système présente les propriétés viscoélastiques et la dynamique lente d'un gel.

Pour mieux comprendre les mécanismes sous-jacents à la gélification colloïdale, nous avons proposé un modèle simple, basé sur un potentiel d'interaction de type DLVO présentant une attraction à très courte portée et une barrière répulsive à longue portée, due aux charges résiduelles observées à la surface des particules. L'étude de ce modèle par des calculs de dynamique moléculaire a porté sur :

• les propriétés thermodynamiques : détermination du diagramme de phase, révélant la présence d'une phase désordonnée et de différentes phases modulées : une phase colonnaire constituée de colonnes parallèles dont les axes sont placés sur un réseau triangulaire et une phase lamellaire (voir figure 2).

• les propriétés structurales : calculs du facteur de structure, de la distribution en taille des amas et de leurs rayons de giration (estimation de la dimension fractale).

• les propriétés dynamiques : calculs des fonctions de corrélation à deux temps et d'autocorrélation des liens entre particules permettant d'estimer le temps de relaxation structurel et la durée de vie des liens.

Nos résultats suggèrent le scénario suivant de la gélification colloïdale, résultant de la compétition entre attraction à courte portée et répulsion à longue portée : en augmentant la fraction volumique, des amas stables et compacts (« cluster phase », phase désordonnée) s'agrègent malgré la répulsion et forment des structures allongées qui à leur tour s'enchevêtrent pour former un réseau percolant (le gel) décrit par les exposants critiques de la percolation aléatoire. La gélification se produit lorsque le temps de relaxation structurel, qui augmente avec la fraction volumique, devient du même ordre de grandeur que la durée de vie des liens entre particules. L'étude du diagramme de phase montre que le gel est métastable par rapport aux phases modulées (colonnaire et lamellaire). Dans une suspension colloïdale, les inhomogénéités locales, la polydispersité des particules ou la viscosité du fluide porteur empêcheraient donc le système d'atteindre l'équilibre thermodynamique et favoriseraient la formation du gel. Ce scénario a été confirmé par les récentes expériences d' Andrew I. Campbell et de ses collaborateurs à l'Université de Bristol.

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