Thèse Liens Entre Formulation et Stabilité d'Émulsions Étudiés par Microfluidique H/F

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

Les émulsions, un mélange hétérogène de deux liquides non miscibles sous forme de gouttelettes dispersées dans une phase continue contenant des tensioactifs, sont des matériaux utilisés dans de nombreux domaines industriels. Un des enjeux actuels est de formuler des émulsions avec des matériaux bio-sourcés de façon efficace. L'objectif principal de ce projet de thèse est de mettre en place une méthodologie et des systèmes microfluidiques dédiés afin d'étudier la stabilité d'émulsions modèles en fonction de leur formulation en vue d'établir un lien entre structure des molécules amphiphiles et fonction stabilisante tout en découplant l'étape d'émulsification de celle de déstabilisation. La méthodologie sera développée avec des tensioactifs synthétiques et issus de la biomasse dont la structure est connue, mais une exploration avec des molécules amphiphiles produites par des microorganismes est envisagée.

Quel que soit le secteur industriel, en raison de leur impact environnemental, il existe un besoin croissant de formuler des produits sans produits issus de la pétrochimie. Parmi ces produits, les agents tensioactifs, des molécules amphiphiles, sont des composés chimiques largement répandus dans les produits commerciaux et rejetés dans l'environnement. Des efforts constants sont déployés pour développer des alternatives biosourcées à partir de ressources renouvelables, c'est-à-dire pour fabriquer des surfactants à partir de molécules et de macromolécules produites par des plantes ou des micro-organismes1,2.
Les tensioactifs trouvent de nombreuses applications, notamment grâce à leur capacité à réduire la tension interfaciale entre deux liquides non miscibles, permettant ainsi l'émulsification et assurant la stabilisation des émulsions résultantes. On rencontre des émulsions dans divers secteurs industriels, comme par exemple les cosmétiques ou l'industrie pharmaceutique, mais elles peuvent également contribuer à la résolution de problèmes environnementaux, comme dans le cas de la bioremédiation des sols contaminés³. La stabilisation des émulsions peut être obtenue par de petites molécules amphiphiles, des macromolécules ou même de petites particules, on parle alors d'émulsions de Pickering4. Il existe de nombreux travaux de recherche sur la formation et la stabilisation d'émulsions mais les mécanismes physicochimiques sous-jacents sont toujours débattus5. En outre, le lien entre la structure des agents de surface et la stabilité des émulsions vis-à-vis de la coalescence entre gouttes d'émulsion n'est pas clairement établi.
Le laboratoire mène depuis de nombreuses années des travaux de recherche sur les émulsions, notamment à l'aide de l'outil microfluidique6. De plus, nous souhaitons poursuivre notre effort de compréhension fondamentale des propriétés de systèmes multiphasiques ainsi que l'exploration de nouvelles solutions de mise en forme de matériaux à partir de composés biosourcés.

La microfluidique offre aujourd'hui un outil performant pour la production de gouttelettes d'émulsion calibrées7. Dans cette optique, le laboratoire a développé un nouveau système microfluidique permettant la production en grande quantité de gouttelettes d'émulsion monodisperses de taille micrométrique8. Ce projet vise ainsi à exploiter cette voie d'émulsification et à étendre l'utilisation de systèmes microfabriqués à l'étude de la stabilité d'émulsions modèles pour lesquelles la composition des deux phases (polarité, viscosité, force ionique, ...) seront modulées à façon. A noter que la taille des gouttes, et ainsi la surface séparant les deux phases sur laquelle s'adsorbent les agents de surface, est une propriété clé pour comprendre les mécanismes sous-jacents. L'objectif principal étant de faire le lien entre la structure des tensioactifs (masse molaire, la longueur et le nombre de chaînes hydrophobes, la/les charge(s) de la partie polaire, le type de liaison pour les tensioactifs neutres, ...) et leur fonction, principalement vis-à-vis de leur aptitude à stabiliser une émulsion contre la coalescence des gouttes.
Deux situations, une statique et une seconde dynamique, seront principalement étudiées. La première concerne la stabilité au stockage d'émulsions soumises au champ de pesanteur et donc en compression. La seconde concerne la déstabilisation sous cisaillement, qui peut intervenir lors de leur production ou bien lors de leur mise en écoulement, et qui peut conduire à une propagation de la coalescence et une éventuelle inversion de phase6.
Les expériences seront principalement réalisées avec des tensio-actifs commerciaux mais si le temps le permet, et selon le profil et les motivations du/de la candidat/e, des études seront menées à partir de molécules amphiphiles produites par des microorganismes.

Comme énoncé dans les objectifs, le projet de thèse est un travail principalement expérimental comprenant la conception et l'utilisation de microsystèmes pour produire des émulsions et étudier leur stabilité. Une part du projet sera donc dédiée à l'élaboration de microsystèmes pour visualiser le comportement d'une émulsion concentrée sous compression, par exemple à l'aide d'une membrane semi-perméable permettant d'imposer une pression osmotique contrôlée. Un autre microsystème servira à imposer un écoulement d'élongation, mimant un écoulement de cisaillement simple, et ainsi étudier dans quelles conditions la coalescence de gouttes a lieu et si la coalescence se propage au sein de l'émulsion concentrée.
La déstabilisation sera suivie par microscopie optique et imagée à l'aide d'une caméra rapide.
Des expériences seront également menées avec des instruments commerciaux. Le laboratoire possède notamment un appareil permettant de centrifuger un échantillon tout en mesurant la densité optique le long de l'échantillon. Cela permettra de compresser des émulsions afin d'évaluer les interactions entre gouttes et la nucléation de la coalescence entre gouttes. La déstabilisation dynamique pourra être également étudiée à l'aide d'un rhéomètre où une variation du couple et de la force normale est attendue lors de la coalescence d'une émulsion concentrée sous cisaillement.