Prédire la stabilité de phase de la matière molle

La matière molle est une classe importante de matériaux qui se compose généralement de particules colloïdales et/ou de polymères dans un milieu liquide. Pour certaines compositions, ces types de systèmes ont tendance à se séparer en (micro)phases et à se démixer en phases coexistantes qui diffèrent par leur composition, leur structure et leurs propriétés. Le chercheur doctorant Joeri Opdam a développé des méthodes théoriques pour prédire avec précision le comportement de phase des systèmes de matière molle constitués de mélanges colloïdaux et de copolymères séquencés, ce qui est crucial pour leurs applications dans des produits tels que les revêtements, les produits pharmaceutiques et les aliments.

Les particules colloïdales et les polymères sont des éléments de base importants pour la fabrication de nouveaux matériaux. De plus, ils sont omniprésents dans ce qu’on appelle la « matière molle » qui désigne des produits industriels tels que la peinture, la mayonnaise et le dentifrice mais aussi des systèmes naturels comme l’argile, le sang et les cellules vivantes. De tels systèmes affichent un comportement de phase similaire aux atomes et aux molécules où, selon la concentration des composants colloïdaux et/ou polymères, différentes phases telles qu’un fluide ou un cristal (liquide) sont supposées. Dans une dispersion colloïdale contenant des particules de tailles et/ou de formes différentes ou dans des solutions de copolymères à blocs, les interactions entre les différents composants peuvent induire une séparation de phase. Ensuite, le système n’est plus homogène mais se démixe en phases coexistantes de compositions différentes. Pour de nombreuses applications, il est souhaitable d’empêcher la séparation de phase, mais dans certains cas, il peut être souhaitable de séparer les composants en utilisant des transitions de phase ou d’induire une stratification.

Dans son doctorat. recherche, Opdam a amélioré des concepts théoriques développés à l’origine pour étudier le comportement de phase des mélanges colloïdes/polymères, mais qui peuvent maintenant être appliqués aux mélanges colloïdaux. Avec ce modèle théorique, il a cartographié les régions de stabilité de différents types de phases (coexistantes) pour des mélanges colloïdaux pour une large gamme de rapports de taille, de paramètres de forme et de concentrations. Les prédictions du modèle sont en accord étroit avec les expériences et les simulations informatiques réalisées par les collaborateurs. De plus, la théorie a révélé une variété de phénomènes intéressants tels que la possibilité de se séparer en cinq phases coexistantes différentes dans une simple dispersion ne contenant que deux types de particules dures.

Modèle en treillis

Les copolymères à blocs peuvent s’ordonner spontanément en phases macroscopiques avec des domaines périodiques à l’échelle nanométrique. À l’aide d’un modèle de réseau basé sur la théorie des champs auto-cohérents, Opdam a montré comment les solvants peuvent être utilisés pour manipuler la taille et la forme de ces domaines qui peuvent être utilisés pour fabriquer des matériaux de copolymères séquencés avec des propriétés optiques ou électroniques spécifiques. En outre, il a montré comment l’affinité de surface des modificateurs de surface de copolymères à blocs dans les formulations de revêtement pertinentes pour l’industrie automobile est affectée par le séchage. Les résultats ont corroboré les découvertes expérimentales, qui ont révélé que la distribution des copolymères à blocs sur la masse et la surface peut s’écarter de manière significative entre la formulation de revêtement humide et le revêtement durci.

Les modèles théoriques offrent une méthode rapide pour estimer comment certains paramètres affectent les transitions de phase et peuvent donc être utilisés pour guider les travaux expérimentaux et informatiques. Cette recherche est donc une étape importante vers la compréhension et l’utilisation efficace des mélanges colloïdaux et des copolymères à blocs qui aide à la conception de systèmes de matière molle aux propriétés souhaitées.