Multi-scale porous networks formed by mixtures of clay platelets and nanospheres

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.Natural soils are complex multi-scale assemblies of inorganic, organic and biological components. The organization of the various soil components plays a major role in the functioning of the whole system and controls to a large extent the fertility, stability and degradation of soils. The comprehension of molecular/colloidal transport and multi-scale structure are fundamental for understanding environmental and energy related soil issues. Clay minerals are of prime importance in soil and the association of clays with other soil components, such as silts result in a multi-scale assembly. Due to the complex structure of soil, analysing in detail a model system made of clay platelets and silica nanospheres appears as a relevant way to obtain information on some of the fundamental aspects that affect soil structure. In this project, self-standing films of clay platelets and silica spheres were produced from aqueous suspensions. We varied the size of both clay platelets and silica spheres, as well as the relative proportions of both components and the sphere surface charge. A multi-scale characterization methodology was developed to study the films structure by combining imaging techniques in the real space and X-ray scattering techniques in the reciprocal space. In the real space, transmission electron microscopy allowed us to understand how the spheres position themselves with respect to clay platelets and the difficulties linked to electron tomography concerning sample volume reconstruction. The structure of self-standing films with and without spheres was equally observed by scanning electron microscopy. Furthermore, a sample reconstructed volume was obtained by X-ray tomography with transmission X-ray microscopy. In the reciprocal space, an experimental setup and methodology were developed to characterize: platelet stacking, platelet orientation and sphere-platelet correlations. The orientation study was linked to breaking stress measurement of the self-standing films. Adding spheres destroys the high degree of orientation of small clay platelets. The breaking stress measurements show that films with added positively charged spheres are stiffer than films with negatively charged spheres. The sphere-platelet correlations study was supplemented by a simulation model to understand the origin of correlations. The simulation results permit to directly observe sphere-platelet correlations without the presence of platelet-platelet correlations. The sphere-platelet correlations variation depends on: sphere surface charge, platelet size and sphere-platelet number ratio inside the film. After the study of the structure some measurements were made by quasi elastic neutron scattering to study water dynamics inside the self-standing films. Revealed water dynamics includes interlayer water inside the clay component and capillary water in mesoscopic pores formed in the combined sphere-platelet deposits. Finally, the prospects of this work were discussed in terms of the multimodal study and the link between structural results in the direct and reciprocal space