Elongational flows of dilute polymer solutions
Écoulements élongationnels de solutions diluées de polymères
Résumé
The presence of large molecular weight polymers can profoundly modify hydrodynamics flows, even for very dilute polymer solutions. There is a strong non-linear coupling between the velocity field and the microscopic conformation of the polymer chains. This coupling is most efficient in elongational flows. This thesis investigates the coupling, and the possible methods to correlate macroscopic elongational stresses with the observation of the polymer microstructure. Drop formation in solutions of DNA (a biopolymer that can be visualized) is slowed down by the formation of a filament. The dynamics of thinning of the filament, followed with a rapid camera, happens at a constant rate. This allows to measure the very high elongational viscosity of these solutions. This measurement is made in air, but also in a low-viscosity immersion fluid. The latter is done since it is possible to visualize DNA by fluorescence microscopy, but not in the filament in air. One has to immerse the filament in an index-matching liquid to get rid of the curved interface. Several methods of optical correction (notably the design of a dedicated microscope objective) have been studied in order to solve the problem of the very large optical abberations that make a direct visualization difficult. In addition, the coil-stretch transition of the polymers and the elongational viscosity are studied in microfluidic flows with a dominantly elongational velocity field.
La présence de polymères flexibles de grande masse molaire modifie de manière spectaculaire les écoulements de solution même en régime dilué. Il y a un couplage fortement non linéaire entre le champ de vitesse de la solution et la conformation microscopique des chaînes de polymères. Ce couplage est le plus efficace en écoulement élongationnel. Cette thèse porte sur l'étude de ce couplage, et sur les moyens de corréler les contraintes élongationnelles macroscopiques avec l'observation de la microstructure. Le détachement d'une goutte de solutions d'ADN (un biopolymère pouvant être visualisé) en solvant visqueux est ralenti par la formation d'un filament. La dynamique d'amincissement du filament, observée avec une caméra rapide, se déroule à taux d'élongation constant. Cela permet la mesure de la viscosité élongationnelle très élevée de ces solutions. Cette mesure a lieu dans l'air et dans un fluide d'immersion suffisamment peu visqueux. Il est possible de visualiser l'ADN par microscopie de fluorescence, mais pas au sein d'un filament cylindrique entouré d'air. On immerge l'échantillon pour adapter l'indice et faire disparaitre l'interface courbe. Plusieurs méthodes de correction (notamment la réalisation d'un objectif de microscope spécifique) sont étudiées pour pallier aux très fortes aberrations optiques qui empêchent l'observation de l'ADN. De plus, les effets de la transition de déroulement et de la viscosité élongationnelle sont aussi étudiés au sein d'écoulements microfluidiques à dominante élongationnelle.
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