Dans ce chapitre, nous avons présenté le comportement des suspensions colloïdales, qui pré- sentent une transition vitreuse quand la fraction volumique en colloïdes augmente. Nous avons présenté le type de colloïdes que nous utilisons pour la transition vitreuse. Ce sont des particules de microgels, formées d’un polymère réticulé, le pNIPAm, dont l’affinité avec le solvant, l’eau, varie avec la température. À basse température (T ≃ 20◦C), le polymère est hydrophile et le
microgel est gonflé d’eau. À haute température (T & 33◦C), le polymère est hydrophobe et le
microgel s’éffondre. Le diamètre des microgels décroit continûment avec la température, dans une gamme de températures d’utilisation comprises entre T = 20◦C et T = 32◦C. La fraction
volumique de la suspension décroit donc avec la température, ce qui fournit un excellent moyen de contrôler in situ le paramètre induisant la transition vitreuse. Dans la gamme de température d’utilisation, les particules interagissent avec un potentiel de sphères molles, dont la molesse varie avec le taux de réticulation du microgel, ce qui modifie le diagramme de phase par rapport au cas modèle de suspensions colloïdales composées de sphères dures.
Nous avons ensuite présenté les systèmes que nous avons utilisés dans cette thèse, synthétisés au laboratoire COMPASS, par A. Alsayed. Le premier système est une suspension de sphères ultramolles (qui s’interpénètrent beaucoup), très polydisperses en taille, ce qui permet de prévenir la cristalisation de la suspension, qui peut être gênante dans l’étude de la transition vitreuse. Leur diamètre a été mesuré en fonction de la température, il décroit de 2.1 à 1.7 µm entre T = 20◦C
et T = 30◦C. Ces particules ont une densité polymèrique si faible qu’elles ne sont pas observables
au microscope. On introduit des sondes dans la suspension pour en étudier la dynamique locale au chapitre5.
Le second système est un mélange binaire de deux microgels dont chaque distribution de taille est peu polydisperse. Le premier microgel est fortement réticulé, interagissant cependant avec un potentiel de sphères molles. Son diamètre varie entre 1.02 et 0.83 µm entre T = 20◦C et
T = 30◦C. Le second microgel est moins réticulé et son diamètre varie entre 1.8 et 1.5 µm sur
la même gamme de température. Le mélange binaire est quasiment équivolumique (le ratio en volume occupé est de 45 − 55), ce qui permet de prévenir la cristalisation de l’échantillon. Les particules sont imageables ce qui nous permet d’étudier la dynamique des particules elles même, au chapitre7.
Chapitre 3
Dispositifs expérimentaux
Dans ce court chapitre, nous décrivons la préparation des échantillons, le dispositif de vidéo- microscopie et le contrôle de la température des échantillons, dont nous testons l’efficacité. Le dispositif d’application de champs magnétiques utilisé au chapitre 9est également décrit.
3.1
Le dispositif de vidéomicroscopie
Nous décrivons ici le dispositif de vidéomicroscopie que nous utilisons dans la thèse. La façon de préparer les échantillons, des suspensions colloïdales de microgels dans lesquelles sont introduites des sondes colloïdales, la façon de contrôler leur température tout en les observant au microscope et les caméras que nous avons utilisées pour enregistrer le mouvement des particules colloïdales sont décrites.
3.1.1 Préparation des échantillons
Les suspensions de particules de pNIPAm sont synthétisée au laboratoire COMPASS de Rhodia1, par Ahmed Al-Sayed. Elles sont expédiées par avion dans des contenants scellés en
France. Les suspensions expédiées sont très concentrées, leur fraction volumique pouvant être aussi élevées que de l’ordre de 1. Nous fabriquons éventuellement des suspensions plus diluées à partir de ces suspensions concentrées. Pour cela, on mélange une masse mesurée de suspension mère, prélevée à la spatule, et une masse mesurée d’eau distillée déionisée ultrapure, filtrée avec des filtres millipores. Nous fabriquons ainsi des suspensions liquides à T = 30◦C, mais solides
(présentant un module élastique) à basses températures. Les suspensions brutes ainsi formées sont stockées dans des récipients en verre ou en plastique fermées avec un film étirable (Parafilm). Pour visualiser la dynamique de la suspension, nous ajoutons à la suspension des particules sondes. Ce sont des particules de polystyrène, monodisperses (2.1% de polydispersité), de rayon moyen 0.994 µm, synthétisées par l’industriel Granuloshop. Elles sont originalement en suspen- sion dans l’eau, avec des surfactants qui permettent leur conservation sur des temps longs. La fraction volumique en particules dans cette suspension est de 1%. Nous rinçons un petit volume (50 µL) de cette suspension à l’eau déionisée ultrapure, pour éliminer les surfactants. La procé- dure que nous suivons pour cela est la suivante : le petit volume est contenu dans un eppendorf, centrifugé. Les particules de polystyrène sédimentent. Le liquide surnatant (contenant eau et
122345
6355
Figure 3.1 – Schéma de l’échantillon pour les mesures de vidéo-microscopie. La suspen- sion (contenant des sondes, symbolisée en points gris) est contenue dans la chambre d’ob- servation, entre lame et lamelle de microscope, entourée par un cadre (bleu). Elle mesure 3 mm × 3 mm × 200 µm. De la colle chimique (Araldite, symbolisée en jaune) scelle la chambre, empêchant contamination et évaporation.
surfactant) est prélevé et remplacé par un volume égal d’eau déionisée. La redispersion des par- ticules de polystyrène est assurée par une agitation mécanique suivie d’une courte sonication de la suspension (2 min.). Ces étapes sont répétées 4 à 5 fois afin d’enlever le plus de surfactant possible. On mélange ensuite la suspension rincée de sondes et la suspension de pNIPAm. Les rapports de volume sont de 1 pour 10 (fraction volumique de sonde 0.001), la plupart du temps, ou de 1 pour 20 (fraction volumique de sondes 5 10−4), dans le cas où l’on image toutes les
particules pour résoudre spatialement la dynamique du système (cf. chapitre 7).
On introduit les suspensions ainsi formées dans une chambre d’observation. Celle-ci est formée d’un cadre (Gene Frames) autocollant en plastique, en sandwich entre une lame et une lamelle de microscope. La chambre mesure 3 mm × 3 mm × 200 µm. Elle est ensuite scellée avec de la colle Araldite pour éviter les contaminations et ralentir l’évaporation (les premières bulles dans l’échantillon apparaissent après au moins une journée). On peut voir un schéma de l’échantillon en figure 3.1. On introduit la suspension dans l’échantillon à haute température (T ∼ 30◦C),
pour que la suspension soit visqueuse lors de la manipulation. Pour cela l’échantillon est fabriqué sur une plaque Peltier maintenu à 30◦C. On peut ainsi fabriquer facilement des échantillons
contenant des suspensions profondément dans l’état vitreux à basse température, et liquides à haute température.
3.1.2 Microscopie
La suspension contenue dans la chambre d’observation est observée au microscope inversé (Leica DMI3000 B, voir figure 3.2). Ce microscope est posée sur une tablette reposant sur des coussins d’air, eux mêmes posés sur une table optique. Ce dispositif permet de réduire la trans- mission des vibrations hautes fréquences dans le bâtiment, qui ne sont de fait pas ressenties dans nos mesures.
Pendant les expériences, les échantillons sont observés à l’aide d’un objectif à immersion à huile ×100 (ouverture numérique 1.3, profondeur de champ 130 µm). L’échantillon et l’objectif sont en contact à travers l’huile d’immersion. On contrôle la température de l’objectif grâce à un contrôleur de température (Bioptechs objective heater) et un circuit de refroidissement à circulation d’eau, contrôlé par une pompe péristaltique (voir figure3.3-(a) et (b)). La température de l’objectif est contrôlée à ±0.1◦C près. Le contrôleur de température dispose d’une sonde de
température intégrée qui permet un contrôle en temps réel. On vérifie que la température proche de l’échantillon (non loin de la lentille de l’objectif) est correctement contrôlée, avec une sonde thermométrique. Comme on peut le voir en figure 3.3-(c), la température près de l’échantillon