Soutenance de thèse de Sivagen Vydelingum

Résumé 

Les sols sont des milieux complexes avec une structure multi-échelle résultant de l’interaction entre de la matière inorganique, organique et biologique. L’organisation des composants du sol joue un rôle majeur sur le fonctionnement de l’ensemble du sol et contrôle jusqu’à un certain degré la fertilité, la stabilité et la dégradation des sols. La compréhension du transport moléculaire/colloïdal et la caractérisation de la structure multi-échelle sont des aspects fondamentaux et essentiels pour appréhender les problématiques environnementales et énergétiques liées à l’étude des sols. Parmi les différents constituants du sol, les argiles minérales ont une importance primordiale et leur association avec d’autres composants du sol tel que les grains de limons forment un assemblage multi-échelle. Au vu de la structure complexe des sols et des corrélations existantes limon-argile. L’étude de la structure d’un système modèle composé de feuillets d’argile et de nanosphères de silice donne des informations essentielles sur la microstructure des sols. Dans ce projet, des films autoportés ont été formés par dépôts de suspensions de feuillets d’argile et sphères de silice. Les paramètres suivants ont été variés pour former ces films : la taille des feuillets, la taille des sphères, la charge de surface des sphères et le rapport en nombre de sphère/feuillet au sein du film. Afin d’étudier la structure de ces films, une méthodologie de caractérisation multi-échelle a été développée en combinant des techniques d’imageries dans l’espace direct et des techniques de diffusion de rayons X dans l’espace réciproque. Dans l’espace direct, les résultats de microscopie électronique en transmission ont permis de visualiser le placement des sphères par rapport aux feuillets et d’apprécier les difficultés liées à l’obtention d’une reconstruction volumique par tomographie électronique. L’observation par microscopie électronique à balayage a montré la différence de structure interne au sein des films avec et sans sphères. De plus, en microscopie à rayons X, une reconstruction volumique d’un échantillon a été obtenue par tomographie à rayons X. Dans l’espace réciproque, un dispositif et une méthodologie expérimentale ont été développées en diffusion de rayons X pour caractériser : les empilements de feuillets, l’orientation des feuillets et les corrélations sphère-feuillet. L’étude de l’orientation des feuillets a été couplée à des essais de résistance mécanique des films. Les résultats d’orientation montrent que l’ajout de sphères détruit la structure très orientée des films avec des petits feuillets d’argile. De plus, les films avec des sphères chargées positivement en surface sont plus résistants mécaniquement que les films avec des sphères négatives. L’étude des corrélations sphère-feuillet a été complétée avec un modèle de simulation pour comprendre l’origine de ces corrélations. Les résultats de simulations permettent d’observer directement les corrélations sphère-feuillet pures sans la présence des corrélations feuillet-feuillet. Les corrélations sphère-feuillet varient en fonction de : la charge de surface des sphères, la taille des feuillets et du ratio en nombre sphère/feuillet. Après l’étude de la structure des premiers résultats ont été obtenu sur la dynamique de l’eau dans les films par diffusion quasi-élastique de neutrons. Ces résultats ont mis en évidence une dynamique de l’eau au sein des films composés de l’eau interfoliaire des argiles et de l’eau capillaire résultant de la structure formée par les feuillets et les sphères. Enfin, l’étude multimodale concernant ce type de système et le lien entre les résultats de structure dans l’espace direct et l’espace réciproque ont été discutés concernant les perspectives de ce travail de thèse.