Proposition de sujet de thèse CIFRE

Proposition de sujet de thèse CIFRE:
« Etude théorique et expérimentale pour la mise au point d’un dispositif instrumental
de mesure de potentiel zéta dans les milieux colloïdaux concentrés/complexes
par une technique d’acoustophorèse »
Contexte scientifique du projet La stabilité et les propriétés physico-chimiques d’une solution colloïdale dépendent
principalement de la taille et de la charge électrique de surface des particules en suspension ainsi que
des propriétés du solvant (PH, viscosité); En effet la charge électrique à l’origine de forces de
répulsion et/ou d’attraction électrostatique entre les particules déterminera leur tendance à
s’agglomérer, voire à sédimenter ou non au cours du temps. Cette charge électrique de surface est
caractérisée par une grandeur appelée potentiel Zeta. La mesure du potentiel zêta est donc
incontournable pour l’étude de la stabilité de solutions colloïdale.
Différentes techniques existent aujourd’hui pour mesurer le potentiel Zeta en milieu liquide.
La plus répandue est basée sur la détermination de la mobilité électrophorétique : le principe consiste
à mesurer le déplacement des particules chargées sous l’action (force électrostatique) d’un champ
électrique, continu ou alternatif, connu. La mesure de ce déplacement peut se faire soit de manière
indirecte par une méthode dite de décalage Doppler et décalage de phase (PALS), soit par une
méthode de visualisation directe et en temps réel des déplacements des particules. Ces dernières
techniques présentent une limitation majeure pour les applications industrielles puisqu'elles ne
s'appliquent que pour les milieux dilués, transparents et peu salés, elles ne fonctionnent pas pour les
milieux complexes et concentrés. Par ailleurs, la nécessité d’appliquer des champs électriques élevés
sur l’échantillon peut en altérer les propriétés de manière irréversible dans certains cas.
Pour l’étude des milieux concentrés et denses, une technologie alternative existe : l’acoustophorèse1. Le principe de la technique est fondé sur l’analyse de la réponse électrique d’une suspension
soumise à une onde de pression acoustique. Cette technique, très peu utilisée à l’heure actuelle, est la
seule qui soit potentiellement adaptée aux milieux concentrées et/ou opaques, aqueux ou non, tels que
nombre de systèmes réels et complexes d’intérêt industriel (lait, peinture, ciment…). Trois sociétés
proposent actuellement des appareils de mesure basés sur ce principe. L’utilisation au PECSA d’un
instrument commercial acquis il y a quelques années fonctionnant sur ce principe a permis de mettre
en évidence des limites importantes de cette technologie :
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Résultats expérimentaux difficilement exploitables et interprétables (structure trop orientée
« boîte noire » !) ;
Technique limitée aux grosses particules (>100 nm) et aux systèmes concentrés ;
Validité des modèles théoriques utilisés ;
Volumes d’échantillon très importants et géométrie de cuve pas adaptée à de la mesure en ligne
Coût élevé
En l’état, cette dernière technique ne semble bien adaptée ni à des travaux de recherche appliquée ou
fondamentale ni aux applications industrielles de caractérisation des nanoparticules en suspension.
Objectifs des travaux de recherche Ce travail a deux objectifs majeurs :
• bâtir et capitaliser tant au PECSA qu’au sein de CORDOUAN un savoir faire théorique et
expérimental pour la caractérisation de potentiel zêta par une technologie d’acoustophorèse
innovante.
• A terme chez Cordouan, pouvoir développer et industrialiser un dispositif de mesures
électroacoustiques innovant capable de caractériser des espèces chargées en solution diluée ou
concentrée, dont la taille s’étend du nanomètre au micromètre.
Pour cela, le travail se fera en plusieurs étapes
1
L’acoustophorèse résulte d’une idée originale de Debye, grand théoricien des électrolytes, publiée en 1933 (J.Chem. Phys. 1, 13). Il
voulait associer (i) une mesure du _V induit par un _P (onde acoustique) sur un liquide salé, ce qui donnerait un signal proportionnel à la
différence de masse des ions positifs et négatifs et (ii) une mesure de densité qui donnerait la somme de ces masses. L’objectif était de
déterminer la masse individuelle des ions hydratés, ce qui était en pratique impossible à l’époque car le _V était de l’ordre des microvolts.
Par la suite, Hermans eut l’idée d’appliquer la technique aux colloïdes, ce qui donnait un _V de l’ordre des mV.
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Etat de l’art et veille technologique : comparaison et revue des limitations des différentes
techniques de mesure de potentiel zéta.
Recherche bibliographique (brevet, publications, notes d’applications)
Compréhension et validation expérimentales de modèles théoriques développés conjointement
avec l’équipe du PECSA : on tentera de définir le champ des systèmes auxquels la technique
peut s’appliquer, c’est-à-dire les systèmes dans lesquels le signal est mesurable et interprétable
selon des théories existantes ou à développer. On examinera par exemple les gammes de
tailles accessibles de concentration et la capacité d’application aux milieux instables. D’autre
part, on s’efforcera d’étendre à terme les possibilités de la technique pour analyser de façon
plus rigoureuse des systèmes complexes réels difficiles à caractériser (polydispersité en taille,
mélanges d’objets).
Pour cela, le candidat se basera d’une part sur un dispositif de mesure commercial (Modèle DT-300)
comme point de départ. En parallèle, le candidat participera à la mise au point d’un nouveau dispositif
expérimental développé par le laboratoire PECSA, il en évaluera les performances, et examinera les
difficultés d’implémentation et les améliorations possibles. Il devra pour cela tester le dispositif sur
des systèmes modèles colloïdaux et évaluer diverses approches théoriques de façon à interpréter le
signal mesuré et en extraire la charge des objets en solution.
Au terme du travail de thèse il est prévu d’intégrer le candidat dans les effectifs de la société
Cordouan afin d’accompagner le transfert de technologie et du savoir faire associé au dispositif
expérimental mis au point pour la mesure du potentiel zêta.
Laboratoire d’accueil et partenaire industriel:
Ce projet sera réalisé en association entre le laboratoire PECSA, UMR CNRS 7195 situé à
l’UPMC, Paris et la société CORDOUAN TECHNOLOGIES, basée en région bordelaise.
Le laboratoire d’accueil, le PECSA (75), possède une expertise reconnue dans les domaines
de l'élaboration et de la caractérisation des dispersions colloïdales, des phénomènes électrocinétiques,
de l'électrochimie et de son instrumentation, et des théories du transport et de la thermodynamique
d'espèces chargées (www.pecsa.upmc.fr).
CORDOUAN TECHNOLOGIES –Pessac (33) est une société spécialisée dans la conception,
la fabrication et la commercialisation d’instruments dédiés à la caractérisation de nano-particules
et des systèmes colloïdaux en voie liquide, en particulier concentrés et opaques. La société dispose de
connaissances et de savoir-faire dans le domaine de l’instrumentation de laboratoire et des techniques
d’analyse physico-chimique (granulométrie, réfractométrie, rhéologie) pour la caractérisation des
particules et solutions colloïdales (www.cordouan-tech.com ).
Profil et compétences du candidat :
- Physicien expérimentateur ayant de bonnes connaissances en chimie (L2 minimum)
- bonnes connaissances instrumentales en technique d’analyses physico-chimiques
- connaissances pratiques en électronique analogique et numérique
- intérêt pour la mise au point de dispositifs expérimentaux d’instrumentation scientifique
- goût pour l’interdisciplinarité et la valorisation des recherches
Laboratoire d’accueil :
Laboratoire Physicochimie des Electrolytes, Colloïdes et Sciences Analytiques
UMR PECSA UPMC-CNRS-ESPCI 7195
Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, Case 51
75252 Paris Cedex 05, France
Nota : le candidat pourra être amené à faire plusieurs « séjours » ponctuels dans les locaux de CORDOUAN ; il
pourra par ailleurs être formé aux techniques instrumentales développées et commercialisées par CORDOUAN
et en lien avec le sujet de recherche.
Encadrement :
• Directeur de recherche (PECSA) : E. Dubois et S. Durand-Vidal (Dr. Hab.)
• Responsable scientifique industriel (CORDOUAN) : D. Jacob, directeur technique et docteur
en physique
Moyens mis à disposition par CORDOUAN:
Accès au laboratoire d’application
Mise à disposition de briques technologiques (corrélateur, ensembles optiques et électroniques, etc.)
Ressource de programmation/IHM
Date de début du projet :
Octobre 2010
Financement :
Bourse CIFRE : a définir
(http://www.anrt.asso.fr/fr/pdf/cir.pdf)
suivant
modalités
définies
sur
le
site
ANRT