Thèses

 

Thèses en cours au laboratoire MIE :

- Marion Krapez (soutenance en 2022)

- Nicolas Chapuis (soutenance en 2023)

- Nan Wu (soutenance en 2024)

- Edwige Lay (soutenance en 2024)

- Mathieu Fréville (soutenance en 2025)

- Thimothée Derkenne (soutenance en 2025)

Thèses effectuées au laboratoire MIE :

- Marion Krapez (soutenance le 4 octobre 2022), . Sous la direction de Annie Colin et en collaboration avec L’Oréal. Télécharger la thèse Télécharger slides thèse

Résumé :
L’étalement de fluides complexes est un processus clé dans l’industrie. Les exemples classiques sont la pose d’enduit ou de peinture, l’application de crème et de maquillage et la fabrication de papier. Dans toutes ces situations, les fluides sont non-newtoniens en raison de la présence de polymères et/ou de particules, ce qui induit un comportement rhéologique complexe. En nous concentrant sur les applications cosmétiques, nous avons cherché à comprendre comment les propriétés du fluide impactent le film déposé.
Dans une première partie, nous avons considéré l’étalement de solutions de polymères avec une lame flexible qui se déforme pendant l’étalement. Ces expériences ont été combinées avec des modèles numériques et des lois d’échelles. Nous montrons que l’épaisseur du film déposé diminue lorsque le réservoir de fluide se vide menant à des dépôts inhomogènes en épaisseur. En utilisant des fluides newtoniens et complexes aux propriétés rhéologiques bien choisies, nous avons démêlés les effets de la viscosité, du caractère rhéofluidifiant, et des contraintes normales sur les caractéristiques du film déposé et du processus d’étalement. Ainsi en jouant sur les propriétés rhéologiques du fluide les dépôts peuvent être plus ou moins homogènes. Nous révélons également deux résultats contre-intuitifs : il faut plus d’énergie pour étaler un même volume en un même temps avec un fluide rhéofluidifiant qu’avec un fluide Newtonien. Deuxièmement, les contraintes normales, qui conduisent habituellement à des comportements remarquables, ont ici un effet négligeable en raison de la géométrie d’étalement. Avec les fluides à seuil, des phénomènes parasites associés au seuil rendent les dépôts moins prédictibles.
Dans une deuxième partie, nous avons étudié les défauts d’étalement en se concentrant sur la formation d’agrégats apparaissant parfois lors de l’étalement d’une formulation après séchage sur la peau. Nous avons identifié les paramètres de formulation et d’étalement qui impactent l’apparition de ces défauts, et nous proposons un modèle basé sur la cohésion et l’adhésion. Enfin, nous proposons un critère à respecter pour limiter leur occurrence.

- Youcef Brahmi (soutenue en 2021), Nouveau concept pour améliorer l’extraction d’énergie bleue par des couches capacitives. Sous la direction de Annie Colin. Télécharger la thèse Télécharger slides thèse

Résumé :
Le mélange de solutions salines de différentes concentrations libère de l’énergie sous forme d’énergie de mélange. L’énergie qui peut théoriquement être générée par 1 m3 d’eau de rivière est de 1,7 MJ lorsqu’elle est mélangée avec le même volume d’eau de mer ou même de 2,5 MJ lorsqu’elle est mélangée à un large surplus d’eau de mer. Le spiles d’electrodylaise inversée fonctionne sur ce principe. Elles sont constituées d’une membrane échangeuse d’anions (AEM), d’un compartiment d’eau de mer, d’une membrane échangeuse de cations (CEM) et d’un compartiment d’eau de rivière. Les ions dans l’eau de mer diffusent à travers les membranes vers l’eau de la rivière : les ions Na + à travers les membranes CEM et les ions Cl- à travers l’AEM. Le mouvement de Na + dans un sens et le mouvement négatif de Cl- dans un autre s’ajoutent pour donner un courant ionique. Aux électrodes, le courant ionique doit être converti en un courant d’électrons. La valeur du flux ionique dépend de la nature de la membrane. Il a été montré récemment que le flux ionique est plus grand d’au moins cinq fois dans un nanotube de nitrure de bore que dans un nanotube de carbone ou dans un pore à l’intérieur d’une membrane polymère. Ces expériences ont été réalisées au niveau d’un seul nanotube. Ce résultat provient de la charge de surface anormalement élevée portée par la surface interne du nanotube de nitrure de bore dans l’eau à pH élevé, que nous quantifions indépendamment dans les mesures de conductance. Dans ces expériences, des électrodes Ag / AgCl sont utilisées pour mesurer le courant électrique passant à travers le nanotube. Dans ce projet, notre objectif est de construire une cellule en utilisant une membrane de 10 cm2 et de caractériser la quantité d’énergie récoltable. Un verrou important est la conversion du flux ionique important en courant électrique. Nous proposons dans ce projet de tester différents types d’électrodes et de sélectionner celles permettant la conversion de grands flux ioniques en courant électronique. Nous visons une puissance de 100 mW / cm2 soit 10 W / m2. Le flux ionique prédit par les expériences précédentes est supérieur d’au moins un ordre de grandeur à cette puissance.

- Anh Vu Nguyen Le (soutenue en 2021), Friction interparticulaire et Rheology des Suspensions denses. Sous la direction de Annie Colin. Télécharger la thèse Télécharger slides thèse

Résumé :

Les suspensions—un type de matériau qui comporte des particules solides dispersées dans un milieu liquide—sont omniprésentes dans notre vie quotidienne et dans l’industrie. Leur caractéristique-clé est la contrainte σ requise pour les mettre en écoulement à un taux de cisaillement γ ̇ désirée : cette viscosité η=σ/γ ̇ des fluides est le centre d’intérêt de la Rhéologie.
Plusieurs facteurs contrôlent des propriétés d’écoulement des suspensions. Dans le cas des suspensions concentrées (c’est-à-dire quand leur fraction volumique ϕ approche la valeur random-close-packing de 64%), le frottement entre les particules se répercute fortement sur leur rhéologie. Des modèles théoriques pour le couplage entre ce frottement inter-particulaire—caractérisé par le coefficient de frottement μ_p—et la rhéologie des suspensions denses ont été proposés dans des études théoriques et numériques, mais des travaux expérimentaux sur le sujet sont encore manquants.

Dans cette thèse expérimentale, nous utilisons des suspensions de billes de polystyrène (PS) de 40 microns en diamètre comme système modèle pour étudier l’impact de la variation de μ_p sur la rhéologie. D’un part, nous étudions des courbes d’écoulement η(σ) des suspensions (aux ϕ entre 40% et 60%) de PS dans 3 solvants distinctifs : solution isodense eau+NaI (NaI), huile de silicone 20 cSt (Oil), et PEG. D’autre part, nous mesurons simultanément des forces normales F_N et frictionnelles F_T entre des paires de billes PS immergées dans ces 3 solvants, grâce à notre Tuning-Fork Microscopy (TFM).

Nous synthétisons nos résultats en 3 points suivants :
- La valeur de μ_p=F_N/F_T en fonction de F_N change le solvant utilisé : Pour NaI, μ_p≈0,2 (constant) ; Pour Oil, μ_p décroit avec (de ∞ à 0,15) avec F_N croissant ; Pour PEG, μ_p≈0 (constant).
- Ces différent profils de μ_p (F_N) entrainent des réponses rhéologiques distinctives chez les suspensions : Les suspensions PS-NaI sont rhéoépaississants car des contacts inertiels deviennent plus fréquents avec γ ̇ , même si μ_p est constant ; Les suspensions PS-Oil sont rhéofluidifiants car μ_p diminue avec σ (donc F_N) montant ; Les suspensions PS-PEG sont newtoniennes aux faibles ϕ car μ_p est nul à tout σ, mais sont rhéofluidifiants aux ϕ élevées en raison du gonflement des billes PS dans PEG.
- Ce couplage entre la rhéologie et μ_p est quantifié avec un ensemble de équations inspirées par des études numériques par Chèvremont et al. 2019 et Lobry et al. 2019.

Notre travail fournit une preuve importante de l’impact du frottement microscopique entre des particules sur l’écoulement de leurs suspensions denses. Il appartiendra à un corpus croissant d’études expérimentales réalisées sur autres systèmes particules-solvant, et ouvre la voie aux études focalisant sur la relation entre forces microscopiques et écoulement macroscopique sous différentes sollicitations extérieures (e.g. ultrason).

- Soufiane ABDELGHANI (soutenue en 2020), La charge rapide d’une batterie métal-air par la maîtrise de la fluidique diphasique. Sous la direction de Annie Colin. Télécharger la thèse Télécharger slides thèse

Résumé :
La charge rapide des batteries métal-air représente un des verrous technologiques auquel cette technologie est confrontée. Pour répondre à cette problématique, l’électrolyte est soumis à un écoulement pour évacuer les bulles d’oxygène sources d’affaiblissement de l’efficacité de ces batteries. L’écoulement de l’électrolyte permet une réduction du potentiel des électrodes à dégagement de gaz. L’électrode présente une surface active plus élevée réduisant son potentiel électrique pour un courant donné. La microscopie optique met en évidence le caractère bimodal de la répartition de la taille de bulles qui tend vers une répartition monomodal lorsque le débit augmente. Ces caractérisations électrochimiques et optiques apportent les informations pour développer un modèle analytique pour la prédiction du comportement dynamique de ces systèmes. Ce modèle est complété par une simulation numérique qui met en évidence les phénomènes oscillatoires mesurés à forts courants. L’optimisation énergétique du procédé est réalisée par le choix d’un débit optimal qui concilie le gain en puissance électrique et les pertes de charges hydrauliques. La diminution des pertes par l’adaptation de la géométrie de la cellule d’écoulement a été abordée. La cellule à configuration triangulaire permet une double optimisation énergétique. Ces cellules ont été testées expérimentalement et présentent de meilleures caractéristiques en termes d’évacuation naturelle et forcée des bulles. Une étude préliminaire et les perspectives de l’effet de l’écoulement sur les dendrites de zinc sont présentées. L’écoulement de l’électrolyte dans la cellule augmente le temps de court-circuit.

- Massinissa HAMOUMA (soutenue en 2020), Compréhension et maîtrise des phénomènes d’interactions surfactant-polymères. Application à la stratégie d’injection de formulations en EOR chimique. Sous la direction de Annie Colin. Télécharger la thèse

Résumé :
L’injection de tensioactifs et polymères pour augmenter la récupération du pétrole est aujourd’hui très étudiée. Les travaux menés à l’échelle du laboratoire prouvent l’efficacité de cette technique, mais certains verrous sont encore à lever pour élargir la fenêtre de conditions dans lesquelles l’injection de formulations ASP / SP peut être appliquée. La séparation des formulations contenant des surfactants et du polymère est aujourd’hui considérée comme un facteur limitant dans les procédés visant l’injection de tels mélanges en milieux poreux pour la récupération assistée du pétrole. En effet, si la séparation peut être limitée à l’échelle du laboratoire, soit en limitant la durée de conservation des formulations, soit en ajoutant des additifs, elle reste importante à maîtriser à plus grande échelle. Nous proposons dans le cadre de cette thèse d’étudier les paramètres et mécanismes qui influent surla séparation (tels que la température, les ions présents dans la saumure,…) afin de comprendre quels peuvent être les leviers qui permettront de limiter cette séparation.

- Christophe KUSINA (soutenue en 2019), Comportement, propriétés et structure des fluides complexes à l’étalement. Sous la direction de Annie Colin. Télécharger la thèse - Télécharger les slides de la soutenance

C.Kusina
C.Kusina

Résumé :
De par ses nombreuses applications dans la vie de tous les jours, la physico-chimie des fluides complexes est aujourd’hui un domaine scientifique largement étudié. Souvent rencontrés dans l’industrie alimentaire, la pétrochimie et les applications cosmétiques, les fluides complexes présentent des comportements surprenants qui peuvent parfois être même contre-intuitifs. En s’intéressant à l’application cosmétique on remarque que l’étalement de ces types de fluides (crèmes, fonds de teint, mascaras, shampoings...) n’est pas trivial et peut avoir un effet tant sur l’efficacité des produits cosmétiques que sur les sensations ressenties par le consommateur lors de l’étalement. Ainsi, la compréhension des paramètres qui régissent leur étalement sur la peau permettra d’optimiser les formulations afin de satisfaire au mieux les consommateurs.
D’un point de vue scientifique, la diffusion d’une crème, d’une lotion ou d’un fond de teint est une thématique pluridisciplinaire. En effet, de nombreux paramètres doivent être pris en compte pour imiter l’étalement in vivo des cosmétiques via des expériences in vitro. Par exemple, lors de l’étalement, le consommateur applique une certaine force sur sa peau qui a également une élasticité, une rugosité et une tension superficielle spécifiques. Même si elle semble être une étape insignifiante, la simple mise en contact du fluide sur la peau pose déjà plusieurs questions scientifiques sur la nature du substrat. Par ailleurs, l’étalement des cosmétiques met en évidence d’autres questions concernant la rhéologie des fluides sous contrainte, les mécanismes de séchage des suspensions, ou encore l’évolution de la rhéologie au cours du séchage. Tous ces paramètres induisent une perception sensorielle lors de l’application. Certains tests consommateurs ont révélé des sensations glissantes, crissantes, voire la formation d’agrégats lors de l’étalement. Pour l’instant, même si la stabilité des cosmétiques lors du stockage et la caractérisation des dépôts sur la peau sont bien étudiées, les mécanismes responsables de ces sensations glissantes ou crissantes et leurs liens avec les formulations et leurs comportements à l’échelle microscopique ne sont pas encore bien compris.
Dans cette thèse, nous étudions le comportement à l’étalement de fluides complexes afin de répondre à des problématiques industrielles. Tout d’abord, nous proposons d’établir un état de l’art de la rhéologie et de la science de l’étalement. Ensuite, nous discutons de deux systèmes d’enduction, l’enduction par trempage et le revêtement par une lame, qui correspondent respectivement aux étapes de prélèvement et d’étalement des produits cosmétiques. Nous étudions la quantité de liquide prélevée et l’épaisseur du liquide étalé sur la peau. Dans la dernière partie, nous essayons de comprendre l’impact des charges de cosmétiques sur la qualité du dépôt.

- Mickaël PRUVOST (soutenue en 2018), Development of electrostrictive materials for energy harvesting and high sensitive pressure sensors. Sous la direction de Annie Colin et de Cécile Monteux. Télécharger la thèse Télécharger slides thèse

M.Pruvost
M.Pruvost

Résumé :
L’objectif de ces travaux de thèse est de mettre à profit la matière molle pour le développement de matériaux composites électrostrictifs en vue de leur utilisation à des fins de récupération d’énergie vibrationnelle et de capteurs de pression haute sensibilité. Une approche par voie émulsion est proposée pour la réalisation de composites afin d’incorporer des particules conductrices telles que feuillets de graphème ou des particules de noir de carbone dans une matrice polymère élastique faite de polydimethylsiloxane (PDMS). Cette approche originale permet de contrôler la dispersion des charges et la microstructure des composites. Les propriétés diélectriques de ces matériaux sont contrôlées par le type de charges, leur concentration et leur voie de dispersion. L’optimisation de leviers de formulation permet d’atteindre des valeurs de permittivité diélectrique très élevées (εr’≈182 à 100 Hz) pour des composites polymères. Les matériaux développés au cours de ces travaux ont été utilisés avec succès dans des dispositifs de récupération d’énergie vibrationnelle. En combinaison avec une couche isolante, les structures étudiées présentent une permittivité diélectrique relative effective élevée avec une très faible conductivité effective (jusqu’à 2,53 10-8 S.m-1). Nous avons développé un dispositif expérimental permettant de mesurer l’électrostriction des matériaux et de quantifier la génération d’énergie électrique en réponse à des vibrations mécaniques. Une densité de puissance de 0,38 W.m-3 a été mesurée pour des excitations mécaniques de 100 Hz. Pour l’utilisation en conditions réelles des matériaux électrostrictifs et leur utilisation en récupérateur d’énergie mécanique ambiante, nous les avons intégrés dans des structures vibrantes de poutre en porte-à-faux. Grâce à la flexibilité de ces structures et à leur faible fréquence de résonnance, nous avons réussi à récupérer 0.4 W.m-3 pour une excitation mécanique de 25 Hz. Dans la dernière partie de nos travaux, nous avons porté notre attention sur les capteurs de pression haute sensibilité, nécessaire pour la surveillance cardiaque à long terme et pour l’interaction naturelle des robots avec les humains. Nous démontrons que nos matériaux composites électrostrictifs peuvent être intégrés dans ces capteurs de pression souple. Les performances rapportées en termes de sensibilité à la pression sont au-dessus de celles de la littérature. Nous illustrons les performances de nos matériaux en réussissant à les utiliser pour enregistrer de manière continue et non invasive des ondes de pouls d’une artère radiale.

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Informations Pratiques

Equipe Matériaux Innovants pour l’Energie, membre du laboratoire CBI (Chimie Biologie Innovation)

Bâtiment G/E
ESPCI ParisTech
10 rue Vauquelin
75005 Paris

Directrice MIE : Pr. Annie Colin (annie.colin (arobase) espci.fr)
Gestionnaire : Isabelle Borsenberger +33 (0)1 40 79 46 35
Assistante de gestion : Hélène Dodier +33 (0)1 40 79 46 35