Physico-chemical features of hydrogel capsules having a liquid core
Propriétés physico-chimiques de capsules d'hydrogel à coeur liquide
Résumé
This work focuses on the study of physico-chemical properties of millimetric capsules having a liquid core and a thin alginate membrane. First, we caracterized the diffusion of molecules through the hydrogel shell and estimated the cut-off radius of the semi-permeable membrane. Moreover, the leakage of small hydrophilic solutes can be limited by adding a hydrophobic shell between the aqueous core and the alginate membrane. We demonstrated that the characteristic time of transport is determined by the geometry of the system (hydrophobic shell thickness and capsule diameter) and by the solubility and diffusion coefficient of the solute in the oil phase. Furthermore, swelling of a capsule under an osmotic pressure difference allowed us to identify the viscoelastic and viscoplastic regimes of the membrane under stretching. We deduced the elastic modulus of the membrane which decreases above the plastic threshold. However, when capsules are compressed, the hydrogel is concentrated due to the irreversible evacuation of water. This leads to rigidification of its structure. Then, we focused on the flow of oil-core capsules dispersed in water. There is a friction between capsules that we can control by adding surfactant. Thus we studied its role in the flow of capsules in the constriction of an hourglass. We showed that the flow is constant and does not depend on friction. It is established by the size of the constriction. Indeed, the flow is only determined by the hydrodynamic in fluid regime in the hourglass' neck.
Ce travail de thèse concerne l'étude des propriétés physico-chimiques de capsules millimétriques à cœur liquide possédant une membrane fine d'hydrogel d'alginate. Nous avons dans un premier temps caractérisé le transport de molécules à travers la coque d'hydrogel et estimé le rayon de coupure de cette membrane semi-perméable. De plus, il est possible de limiter la fuite de petits solutés hydrophiles en ajoutant une couche hydrophobe entre le cœur aqueux et la membrane d'alginate. Nous démontrons alors que le temps caractéristique de fuite est déterminé par la géométrie du système (épaisseur de la couche hydrophobe et rayon de la capsule) ainsi que la solubilité et le coefficient de diffusion du soluté dans la phase huileuse. D'autre part, le gonflement d'une capsule soumise à une différence de pression osmotique nous a permis d'identifier les régimes viscoélastique et viscoplastique de la membrane sous étirement. Nous en déduisons un module élastique de l'hydrogel, qui diminue au-delà du seuil de plasticité. A contrario, lors de la compression de capsules, l'hydrogel est concentré par expulsion irréversible de l'eau, ce qui entraîne une rigidification de sa structure. Enfin, nous nous sommes intéressés à l'écoulement d'une suspension concentrée de capsules à coeur huileux dans l'eau. Il existe une friction entre les capsules qu'il est possible de contrôler par ajout de tensioactif. Nous avons donc étudié son rôle dans l'écoulement de capsules dans une constriction de type sablier. Ainsi, nous démontrons que le flux est constant et qu'il ne dépend pas de la friction, mais qu'il est fixé par la taille de l'étranglement. En effet, l'écoulement est uniquement déterminé par l'hydrodynamique en phase fluide dans le col du sablier.
Loading...