Écoulements sous pression imposée de suspensions granulaires modèles // Pressure-imposed flows of model granular suspensions

Les suspensions non browniennes telles que le béton ou la boue sont des matériaux courants de notre vie quotidienne. Malgré une longue histoire, la physique de ces fluides complexes n'est pas encore entièrement comprise, en particulier dans le régime de fortes fractions volumiques de particules, où les contacts interparticulaires jouent un rôle déterminant. Cette méconnaissance tient en partie à l'absence de suspensions modèles permettant un contrôle étendu de ces interactions, ainsi qu'à la difficulté de mesurer avec précision les propriétés mécaniques de ces matériaux jusqu'à la fraction volumique critique \phi_c, seuil auquel la viscosité diverge et où se produit le blocage (jamming).

En collaboration avec Nicolas Sanson au SIMM (ESPCI), notre groupe au MSC a mis au point un procédé simple permettant de produire en grande quantité des particules non browniennes sensibles à des stimuli, qui peuvent ensuite être dispersées dans une variété de solvants. Les suspensions ainsi obtenues présentent des propriétés de non-frottement lorsqu'elles sont immergées dans l'eau dans un tambour rotatif, un dispositif conçu pour mesurer les coefficients de frottement. Des investigations complémentaires ont montré que le coefficient de frottement apparent, ainsi que l'interaction adhésive, peuvent être ajustés finement en modifiant les propriétés physico-chimiques du liquide porteur, transformant progressivement les suspensions en matériaux plus frictionnels et plus cohésifs.

L'objectif de cette thèse est d'étudier la réponse mécanique de ces matériaux sous pression imposée, de façon à contrôler l'intensité et la fréquence des contacts. Dans un premier temps, le ou la doctorant·e poursuivra les efforts actuellement menés au MSC pour développer un rhéomètre à pression imposée, un outil de pointe destiné à caractériser quantitativement les suspensions jusqu'à \phi_c. Pour ce faire, il/elle bénéficiera de l'expertise de l'atelier du MSC. Ce dispositif sera utilisé afin de caractériser systématiquement la relation entre les interactions interparticulaires modulées par des stimuli physico-chimiques (force ionique, pH, température…) et l'écoulement macroscopique des suspensions. Le ou la doctorant·e explorera ensuite d'autres types d'écoulements de suspensions sous pression imposée dans des films minces. Le groupe dispose d'une longue expérience dans l'étude de ces écoulements, dans lesquels les propriétés frictionnelles et adhésives des particules sont appelées à jouer un rôle important. Nous nous intéressons en particulier à l'observation de tas de suspensions à des fractions volumiques de particules bien inférieures à \phi_c. Cette étude combinera imagerie à grande vitesse et microscopie de fluorescence.

L'ensemble des projets décrits ici sera mené en collaboration avec Nicolas Sanson, Jean Comtet et Bruno Bresson au SIMM (ESPCI), qui synthétiseront les particules et caractériseront leurs surfaces par microscopie à force atomique, une technique avec laquelle le ou la doctorant·e se familiarisera. Cette partie du projet soulèvera également des questions relatives à la nature de la surface des particules, et à sa possible analogie avec une brosse polymère.

Nous recherchons un·e excellent·e étudiant·e présentant un vif intérêt pour l'expérimentation et l'instrumentation, ainsi qu'une solide formation en physique ; des connaissances en chimie seraient appréciées mais ne constituent pas un prérequis. Le sujet offre également des perspectives de modélisation théorique, avec la possibilité d'établir de manière rigoureuse une loi de comportement pour les suspensions non browniennes concentrées tenant compte des interactions interparticulaires. Le projet est soutenu par une subvention de l'ANR. Les groupes MSC et SIMM collaborent depuis cinq ans et ont déjà codirigé une thèse.
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Non-Brownian suspensions such as concrete or mud are common materials in our daily life. Despite a long history, the physics of these complex fluids is still not completely understood, in particular in the high-particle-volume-fraction regime, where interparticle contacts play a significant role. This is in part due to the lack of model suspensions offering extensive control over these interactions and to the difficulty of measuring accurately the mechanical properties of these materials up to the critical particle volume fraction \phi_c at which viscosity diverges and jamming occurs.
In collaboration with Nicolas Sanson at SIMM (ESPCI), our group at MSC has set up a simple process to obtain stimuli-sensitive non-Brownian particles in large quantities that can be then dispersed in a variety of solvents. The resulting suspensions display frictionless properties hen immersed in water in the rotating drum, a device designed to measure friction coefficients. Further investigation demonstrated that the apparent friction coefficient, as well as the adhesive interaction, can be adjusted finely by changing the physico-chemical properties of the suspending liquid, turning suspensions into increasingly more frictional and cohesive materials.
The goal of this PhD is to study the mechanical response of these materials under imposed pressure, so that the intensity and frequency of contacts is controlled. First, the candidate will continue current efforts at MSC to develop a pressure-imposed rheometer, a state-of-the-art tool to characterize quantitatively suspensions up to \phi_c. To do so, they will benefit from the expertise of the MSC workshop. The candidate will use this device to characterize systematically the relation between interparticle interactions adjusted through physico-chemical stimuli (ionic strength, pH, temperature…) and the macroscopic flow of suspensions. Then, the candidate will investigate other types of pressure-imposed suspension flows in thin films. The group has now a long history of studying these flows in which the frictional and adhesive properties of the particles are expected to play a significant role. In particular, we are interested in the observation of suspension heaps at particle volume fractions well below \phi_c. This study would combine high-speed imaging with fluorescence microscopy.
All the projects listed here will be carried out in collaboration with Nicolas Sanson, Jean Comtet and Bruno Bresson at SIMM (ESPCI) who will synthesize the particles and characterize their surfaces with atomic force microscopy, a technique the candidate will become familiar with. This side of the project will also bring about questions about the nature of the particle surface, and whether it is similar to a polymer brush.
We are looking for an excellent student with a strong interest in experiments and instrumentation and an excellent background in physics; a background in chemistry is appreciated but not required. The topic offers opportunities for theoretical modelling with the prospect of establishing rigorously a constitutive law for concentrated non-Brownian suspensions accounting for interparticle interactions. The project is supported by an ANR grant. The MSC and SIMM groups have been collaborating for the past five years and already supervised together a PhD.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche*

Université Paris Cité

564 Physique en Ile de France

Nous recherchons un·e excellent·e étudiant·e, présentant un vif intérêt pour l'expérimentation et l'instrumentation, ainsi qu'une solide formation en physique ; des connaissances en chimie seraient appréciées mais ne sont pas indispensables.
We are looking for an excellent student with a strong interest in experiments and instrumentation and an excellent background in physics; a background in chemistry is appreciated but not required.