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Microrhéologie des hydrogels par diffusion multiple de la lumière

Tetsuharu Narita et Guylaine Ducouret

Les hydrogels sont composés d’un réseau de polymères gonflés dans une grande quantité d’eau. Grâce à leurs propriétés solides et liquides, les hydrogels présentent des applications industrielles très variées : alimentaire, cosmétique, médicale, etc. Les hydrogels qui peuvent être classés par leur mode/type de réticulations (chimique, physique ou enchevêtrement) ou par leur origine (naturelles ou synthétiques), présentent des propriétés rhéologiques très différentes selon leurs structures et leurs dynamiques. La connaissance du comportement rhéologique des gels sur une gamme très large de fréquences est très utile pour les applications industrielles, notamment aux hautes fréquences où la dynamique de ces systèmes serait liée à la flexibilité et la nature des réticulations chimiques ou physiques entre les chaînes macromoléculaires.

Les techniques de micro-rhéologie sont très prometteuses pour l’étude des propriétés viscoélastiques de fluides complexes dans des domaines de fréquences inaccessibles par la rhéologie classique. La diffusion multiple de la lumière (Diffusing-Wave Spectroscopy, DWS) que nous utilisons dans cette étude permet de mesurer le mouvement dû aux fluctuations thermiques de particules dispersées dans le milieu viscoélastique à étudier. Ces deux techniques sont très complémentaires. L’objet de cette étude est de caractériser trois types d’hydrogels par la DWS et la rhéologie classique macroscopique. Nous montrerons la faisabilité, les avantages et les limites de cette technique optique.

Des particules de polystyrène sont dispersées dans les échantillons et utilisées comme sondes qui se déplacent spontanément sous l’effet de l’agitation thermique. Le mouvement Brownien de ces particules est directement gouverné par la viscoélasticité du milieu dans lequel elles sont dispersées.
La microrhéologie par la diffusion dynamique de la lumière consiste à mesurer les variations d’intensité lumineuse diffusée par les nanoparticules dispersées dans le milieu à étudier et d’en déduire la fonction d’autocorrélation de la lumière diffusée représentant la dynamique de l’ensemble des particules diffusantes. L’analyse de cette fonction d’autocorrélation permet de calculer l’évolution temporelle du déplacement quadratique moyen des particules, directement relié aux modules élastique et visqueux du milieu par la relation généralisée de Stokes Einstein.

Les mesures de DWS sont réalisées sur un montage expérimental construit au laboratoire, composé d’un compteur de photon de type avalanche connecté à un corrélateur, ainsi qu’un laser de 100 mW (à 488 nm).

Schematic illustration of DWS at different length scales



gamme typique accessible par la DWS
fréquence10-2 ∼ 105 (rad/s)
modules1 ∼ 3000 (Pa)</td


La DWS necessite moins d’un gramme d’échantillon.
Nous utilisons cette technique pour caractériser les propriétés rhéologiques des systèmes aqueux comme :
hydrogels, solutions de polymères et micelles géantes, suspensions colloïdales diluées et concentrées, etc...