Actualité de l'ENS de Lyon

Dans une étude récente, une équipe de scientifiques menée par des chercheurs du Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon) s'intéresse au processus d'écoulement des dispersions colloïdales. Leurs travaux permettent de mieux comprendre comment les colloïdes se structurent sous l'effet du cisaillement, une étape importante pour appréhender ce processus essentiel dans de nombreuses applications industrielles. Leurs conclusions ont paru dans le Journal of Rheology.

L'écoulement des dispersions colloïdales, c'est à dire de petites particules en suspension dans un solvant, est un processus essentiel dans de nombreuses applications, comme les matériaux de construction, les batteries, les produits alimentaires ou encore les peintures. Il est ainsi important de comprendre comment la vitesse d'écoulement, ou taux de cisaillement, influence les propriétés de ces dispersions. En d'autres termes, est-ce que la dispersion coule facilement (faible viscosité) ? Est-ce que les particules se dispersent complètement sous l'effet de l'écoulement ou est-ce qu'elles s'agglomèrent ?

Ces dispersions présentent systématiquement des comportements non newtoniens (la viscosité dépend du taux de cisaillement), résultant d'interactions complexes entre la morphologie des colloïdes, la fraction volumique et les forces entre colloïdes. Comprendre comment les colloïdes se structurent sous l'effet du cisaillement reste un défi, en particulier en présence de forces attractives conduisant à la formation d’agrégats et de gels en l’absence de cisaillement. Dans une étude parue dans le Journal of Rheology, une équipe de scientifiques menée par des chercheurs du Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon (CNRS/ENS de Lyon), a adopté une approche synergique pour répondre à ces questions, combinant la rhéologie (technique permettant de mesurer la viscosité d'une dispersion en fonction du taux de cisaillement) avec la diffusion des rayons X aux très petits angles (USAXS, technique qui permet de caractériser la structure d'une dispersion, c'est à dire comment les particules s'agencent entre elle).

Les résultats obtenus permettent de comprendre comment des colloïdes attractifs, ici des particules de noir de carbone dispersées dans une huile minérale, se structurent et modifient la viscosité de la dispersion sous écoulement. Deux régimes séparé par un taux de cisaillements critique sont distingués. Dans ces deux régimes, les colloïdes s'agrègent pour former des agrégats fractals. Mais dans le régime hydrodynamique, à haut taux de cisaillements, la taille des agrégats augmente à mesure que le taux de cisaillement diminue et la viscosité peut être modélisée en assimilant les agrégats à des sphères dures (équation de Krieger et Dougherty). Alors qu'à bas taux de cisaillements, dans le régime élastique, la taille des agrégats est grande et indépendante du taux de cisaillement : les agrégats percolent pour former un réseau dynamique.

Les chercheurs montrent ainsi que la contrainte seuil du gel formé en l’absence de cisaillent est alors héritée des propriétés de la dispersion sous écoulement au point de percolation.