Physico-chimie et rhéophysique de la matière molle

Les micelles de copolymères thermosensibles (comme ceux à base d’oxyde de polyéthylène (PEO) ou d’oxyde de polypropylène (PPO)), présentent des transitions de phase fluide/cristal pouvant être induites aussi bien par la concentration que par la température, de façon interdépendantes. L’ajout de nanoparticules anisotropes (laponite) ou sphériques (or, silice) modifie la température de transition en la décalant et induit des variations de l’amplitude des modules viscoélastiques. Nous avons montré que le système mixte reste globalement homogène à l’échelle macroscopique quelle que soit la température et la concentration en particules. A l’échelle microscopique, on peut observer la formation de grains micrométriques et cristallins au- dessus de la température de transition. Nous savons que les propriétés mécaniques des solides polycristallins tels que les alliages métalliques sont remarquablement contrôlées par la taille des cristaux les composant. Cet effet est décrit par la loi empirique, dite de ‘Hall-Petch’. Cette loi a été établie dans le cas de systèmes atomiques, et est utilisée pour prédire la contrainte seuil de matériaux de structure en fonction de la taille des domaines cristallins. Ainsi cette loi prévoit que la contrainte seuil suive une relation linéaire en fonction de l’inverse de la racine carrée du diamètre des grains cristallins. Une explication microscopique simple consiste à dire que les joints de grains constituent des obstacles au mouvement des dislocations induites au sein des grains cristallins par la contrainte. Ainsi, ces blocages induisent un renforcement mécanique proportionnel à la quantité d’interface. Notre étude a d’abord permis de montrer que l’ajout de nanoparticules induit la formation de joints de grains et donc de grains de plus en plus petits jusqu’à une limite de taille de grain et de concentration en particules qui n’avait pas été observée auparavant pour un système colloïdal. Nous avons ensuite montré que le renforcement mécanique induit par la diminution de taille des grains cristallins obéit à la loi de Hall-Petch. Incidemment, le fait que la taille des grains évolue de manière non- monotone avec la concentration en nanoparticules n’affecte pas la relation de Hall-Petch. Cette étude montre clairement pour la première fois que la validité de la relation Hall-Petch s’étend jusqu’aux systèmes colloïdaux mous qui mettent en œuvre des échelles de longueur considérablement plus grandes. Comme développé dans le projet ce système colloïdal transparent pourrait permettre d’étudier certains comportements incompris des alliages métalliques de façon non destructive par des méthodes de microscopie optique in situ.

Référence : “Mechanical strength enhancement by grain size reduction in a soft colloidal polycrystal“, Ahmed Mourchid, Imane Boucenna and Florent Carn, Soft Matter (2021)

Cette étude concerne un système composé de copolymères triblocs thermosensibles (i.e. PEO- PPO-PEO) et de nanoparticules d’argile (i.e. laponite). Nous avons considéré un domaine de concentration spécifique permettant d’obtenir une suspension diluée de particules de laponite recouvertes d’une couronne de copolymère triblocs. Il est bien connu que les suspensions de laponite ne montrent pas l’ensemble des transitions de phase ‘cristal liquide’ bien qu’une particule de laponite soit de forme anisotrope. Cette frustration de transition de phase est liée à l’hétérogénéité de charge des particules induisant une transition de type sol/gel à l’approche du seuil de percolation. Nous avons essayé de voir dans quelle mesure le recouvrement des particules de laponite par une couche de copolymère pouvait impacter le comportement cristal liquide du système. Pour ce faire nous avons mené une étude structurale mêlant observation de la biréfringence, diffusion du rayonnement X aux petits angles (Synchrotron Soleil) et rhéologie. Nous avons ainsi montré que les suspensions de ces nanoparticules, dites chevelues, restent fluides à des concentrations élevées (15 wt. %) et présentent toutes les caractéristiques des transitions de phase isotrope-nématique-colonnaire induites uniquement par la température.