Modélisation à gros grains de suspensions de feuillets d’argile flexibles

Overview & Synopsis

Cette thèse porte sur l’étude du comportement de phase de suspensions aqueuses de feuillets d’argile de type smectites par la simulation, plus précisément sur l’influence de la flexibilité de ces feuillets sur l’apparition d’une transition de phase isotrope–nématique dans la suspension. Les smectites sont des phyllosilicates en feuillets de structure TOT (tétraédrique–octaédrique–tétraédrique), dont la charge négative est due à des substitutions isomorphiques et est compensée par des cations interfoliaires. En présence d’eau, ces argiles peuvent gonfler, ce qui crée des suspensions de feuillets. Dans les suspensions d’objets anisotropes, une transition de phase entre un état de phase isotrope et un état de phase nématique est théoriquement possible, comme l’a montré notamment Onsager pour des particules anisotropes rigides. Expérimentalement, cette transition a été observée expérimentalement pour certaines argiles (notamment la nontronite), mais n’apparaît pas pour d’autres (montmorillonite, laponite). Ce phénomène pourrait être expliqué par l’influence de paramètres supplémentaires sur le comportement des suspensions, tels que la localisation de la charge ou la flexibilité des feuillets. L’objectif de ce travail est d’évaluer l’impact spécifique de la flexibilité des feuillets sur l’organisation de suspensions d’argile. Expérimentalement, une étude aussi précise du comportement microsopique de ces suspensions est impossible, c’est pourquoi une approche théorique par la simulation a été développée. Un modèle à gros grains de feuillet d’argile flexible a été construit afin de permettre la simulation de suspensions contenant plusieurs centaines de particules de taille réaliste. Les interactions inter-feuillets sont modélisées par un potentiel effectif intégrant une répulsion électrostatique de type Yukawa. La flexibilité des feuillets est introduite via des interactions intra-feuillet de liaisons entre grains permettant de contrôler le module de flexion de chaque feuillet. Les simulations de dynamique moléculaire ont été réalisées à l’aide du code LAMMPS, avec des conditions aux limites périodiques. Les suspensions ont été analysées en mesurant des grandeurs telles que la pression osmotique, les fonctions de distribution radiale, le déplacement quadratique moyen, le paramètre d’ordre nématique et l’analyse de clusters de feuillets orientés. L’influence de la concentration des suspensions et de la flexibilité des feuillets a été étudiée séparément. Les résultats des simulations mettent en évidence la présence de deux phases distinctes en fonction de la fraction volumique et de la flexibilité des feuillets. L’apparition d’un ordre orientationnel, montrant une organisation de type nématique, dépend sensiblement de la rigidité des feuillets. Un changement de flexibilité des feuillets peut favoriser ou retarder l’émergence d’un ordre à longue portée lors de la concentration. Ces résultats apportent de nouvelles informations sur le rôle des propriétés mécaniques des feuillets dans le comportement des suspensions d’argiles. Ce travail propose également un modèle générique permettant d’étudier l’impact de la flexibilité sur les transitions de phase dans des systèmes de particules anisotropes, au-delà du seul cas des argiles, et ouvre des perspectives pour l’étude multi-échelle de suspensions d’autres matériaux.