Gelification interfaciale pour la production de mousses solides biosourcées // Interfacial gelation in the context of biobased solid foam production

Foam-like materials are essential and widely used in daily life and industrial applications due to their lightweight, porous architecture, excellent mechanical energy-absorption capacity and low thermal conductivity. However, most commercially available foams are derived from petroleum-based materials, raising significant environmental and health concerns. This project targets the bio-based foams (biofoams) made from natural, renewable polymers such as polysaccharides, and provide a pathway toward a more sustainable and circular materials economy. The project will benefit from the strong expertise in biopolymer gelation, rheology, and soft matter physics at the LRP, complemented by collaborations with the physicochemistry laboratory CERMAV.

Precisely engineering the architecture of biofoams remains challenging. The simplest and most cost-effective approach relies on creating a liquid foam precursor by dispersing gas into a biopolymer solution, where the bubble size is expected to determine the pore size of the biofoam. In practice, however, this strategy is hindered by a critical bottleneck: liquid foams are mechanically weak and prone to destabilization through bubble coalescence, coarsening, and liquid film drainage. These consequences ultimately lead to foam collapse and poor control over the final porous structure. To overcome this limitation, the central strategy of this project is to reinforce bubble interfaces and inter-bubble liquid films by tunable biopolymer gelation.

The core scientific question is how to control biopolymer gelation kinetics at gas-liquid interfaces and within thin liquid films, and how this control can be harnessed to tailor bubble dynamics in foam generation. Gelation in foams occurs in a complex and highly confined environment. Gas–liquid interfaces impose strong constraints on the mobility, conformation, and assembly of biopolymers, leading to gelation kinetics that might differ from those in the bulk phase. The first objective of the project is therefore to elucidate the mechanisms of gelation kinetics at interfaces and in thin liquid films within biofoams. Moreover, biopolymer gelation can occur over a wide range of timescales, from seconds to hours or even days. The second objective is to investigate how gelation kinetics compete with and influence foam dynamics such as bubble coalescence, coarsening, and drainage.

To address these objectives, the project adopts a bottom-up experimental approach. First, a dedicated microrheology setup will be developed to decouple interfacial rheology from the rheology of the thin liquid films. This enables independent characterization of gelation kinetics at interfaces and in the confined bulk. Second, a microfluidic platform will be designed to enable real-time visualization and quantification of bubble dynamics in the presence of tunable gelation learned from the first step. This approach will directly link gelation kinetics to pore size control in the biofoams.

Overall, this project leverages fundamental insights into biopolymer gelation kinetics to control the architecture and mechanical properties of biofoams, bridging the fields of materials science, soft matter physics, and engineering. The knowledge developed in this project are expected to pave the way toward scalable biofoam production for applications such as packaging, thermal insulation, and energy absorption.
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Les mousses solides sont largement utilisées dans la vie quotidienne et dans de nombreuses applications industrielles en raison de leur faible densité, de leur architecture poreuse, de leur excellente capacité d'absorption d'énergie mécanique, ou encore de leur faible conductivité thermique. Cependant, la grande majorité des mousses actuellement commercialisées sont fabriquées à partir de matériaux d'origine pétrolière, ce qui soulève d'importantes préoccupations environnementales et sanitaires. Ce projet vise le développement de mousses biosourcées (bio-mousses) élaborées à partir de polymères naturels et renouvelables, tels que les polysaccharides, afin de contribuer à une économie des matériaux plus durable et circulaire. Il s'appuiera sur l'expertise du laboratoire LRP en gélification des biopolymères, rhéologie et physique de la matière molle, en étroite collaboration avec le laboratoire de physicochimie CERMAV.

L'ingénierie de l'architecture des bio-mousses demeure un défi majeur. L'approche la plus simple et la plus économique consiste à produire une mousse liquide en dispersant un gaz dans une solution de biopolymères, la taille des bulles étant supposée déterminer la taille des pores dans la mousse finale. En pratique, cette stratégie est limitée par un verroumajeur : les mousses liquides présentent une faible résistance mécanique et sont sujettes à des mécanismes de déstabilisation tels que la coalescence des bulles, le mûrissement et le drainage des films liquides. Ces processus conduisent à l'effondrement de la mousse et à un mauvais contrôle de la structure poreuse finale. La stratégie centrale de ce projet consiste donc à renforcer les interfaces des bulles et les films liquides inter-bulles par un contrôle de la gélification des biopolymères.

La question scientifique centrale porte sur le contrôle de la cinétique de gélification des biopolymères aux interfaces gaz–liquide et au sein de films liquides minces, et sur la manière dont ce contrôle peut être exploité pour moduler la dynamique des bulles lors de la formation des mousses. La gélification dans les mousses se produit dans un environnement complexe et fortement confiné. Les interfaces gaz–liquide imposent de fortes contraintes sur la mobilité, la conformation et l'assemblage des biopolymères, conduisant à des cinétiques de gélification distinctes de celles observées en phase bulk. Le projet vise à élucider ces mécanismes et à étudier la compétition entre la gélification et les processus dynamiques de la mousse, sur des échelles de temps allant de quelques secondes à plusieurs heures.

Pour atteindre ces objectifs, le projet adopte une approche expérimentale ascendante (bottom-up). Un dispositif de microrhéologie sera développé afin de découpler la rhéologie interfaciale de celle des films liquides minces, permettant une caractérisation indépendante des cinétiques de gélification aux interfaces et dans le bulk confiné. En parallèle, une plateforme microfluidique sera mise en place afin de visualiser et quantifier en temps réel la dynamique des bulles en présence de cinétiques de gélification modulables. Cette approche permettra d'établir un lien direct entre gélification, contrôle de la taille des pores et propriétés mécaniques des bio-mousses.

Dans l'ensemble, ce projet vise à relier des connaissances fondamentales en gélification des biopolymères au contrôle de l'architecture et des propriétés mécaniques des bio-mousses, à l'interface entre science des matériaux, physique de la matière molle et ingénierie. Les résultats attendus devraient ouvrir la voie au développement de procédés de production de bio-mousses à plus grande échelle pour des applications telles que l'emballage, l'isolation thermique et l'absorption des chocs.
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Début de la thèse : 01/10/2026
WEB : https://lrp.univ-grenoble-alpes.fr/fr/recherche/mousses-liquides-et-solides

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Formation générale de bon niveau scientifique en physique, physico-chimie ou mécanique. Appétence pour le travail expérimental. Analyse d'image et de données. Travail en équipe. Maitrise de l'anglais. Expérience dans le milieu de la recherche.
General training of a good scientific level in physics, physical chemistry, or mechanics. Appetite for experimental work. Image and data analysis. Teamwork. Fluency in English. Experience in the research.