Quelques études de physique en matière molle et granulaire ......Physique des polymères Focus sur...

Joachim P. WittmerInstitut Charles Sadron & CNRS (UPR 22)

23 rue du Loess, 67037 Strasbourg, France

Quelques études de physiqueen matière molle et granulaireet sur les solides amorphes

SommaireQuelques études de physique en matière . . .

Étapes scientifiques

Axes de recherchesMatière granulaire : Est-elle fragile ?Matière amorphe : Réponse linéaire inhomogèneMatière molle : Physique des polymères “morts" et “vivants"

Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblésANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées

Conclusion

AnnexeMéthodes de simulationQuelques papiers importantsEncadrement : stagiaires, thésards et post-docsOrganisation des ateliers de travail et des confèrences

Étapes scientifiques1990 K. Binder , DEA, Mayence

• Simulation des polymères semi-flexibles

1992 J.-F. Joanny , Thèse de Physique , ICS, Strasbourg• Polyélectrolytes & polyampholytes• Dynamique d’adsorption/lavage des brosses

1994 M. E. Cates , Post-Doc , Cambridge & Edimbourg• Matière granulaire : distribution des constraintes• Polymères vivants et en anneau

1998 J.-L. Barrat , Poste CNRS (CR1) , LPMCN, Lyon• Polymères renforçés (Thèse : Mattioni)• Mécaniques des solides amorphes (Thèse : Léonforte)

2002 Habilitation , Université Claude Bernard, Lyon

2003 J. Baschnagel , retour à l’ICS, Strasbourg• Dynamique des polymères vivants (Thèse : Crevel)• Polymères à l’état fondu (Post-Doc : Kreer, Cavallo)

Matière granulaireCollab. avec M. E. Cates, J.-P. Bouchaud, P. Claudin, E. Clement, L. Vanel

Tas de sable [Nature 1996] Matière fragile [PRL 1998] Silo [PRL 2000]

Éléments clés de notre approche :• Effet mémoire : Anisotropie des contacts, chaînes de forces• Liquide solidifié sous contrainte (contraintes gélées)• Fragilité contre perturbations (température, humidité, . . . )

• Suggestions des tests expérimentaux nouveaux

Solides amorphesCollab. avec J.-L. Barrat, A. Tanguy, F. Léonforte

Billes LJ à T → 0• Strain homogène et sollicitation ponctuelle• Vibrations, modes propres, densités d’états

Résultats clés : Existence d’une longueur ξ ≈ 20• Champ non-affine et automoyennage de la réponse• Levée de dégénérescence des modes propres pour λ < ξ• Densité d’états : Fréquence du “Pic de boson" cson/ξ• Résultats similaires pour verres “fragile"[EPL 2002] et “forts"[PRL 2006]

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume , surfaces , couches minces• solution , fondu, état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre

Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD)

Polyampholytes [EPL 1993]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume , surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre

Contraintestopologiques [EPL 2000]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution , fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre

Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [EPL 1998,2001]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution , fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre

Stage : Y. Cesbron

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure, dynamique à l’équilibre

A.N. Semenov :Reptation activée ? !

[EPJ E 2003]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure , dynamique à l’équilibre

Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [PRL 2004]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .• Corrélations dans la phase fondue : ETSP ICS[PRL 2004, EPL 2007]

Physique des polymèresFocus sur :• comportement des chaînes longues• avec interactions génériques• polymères “morts" ou “vivant"• volume, surfaces, couches minces• solution, fondu , état vitreux• structure , dynamique à l’équilibre

Approches classiques :• Lois d’échelles, champs moyen, . . .• Simulations numériques (MC, MD, BD) [EPL 2007]

Quelques collaborations :• Polyélectolytes, polyampholytes : J.-F. Joanny, A. Johner• Polymères en anneaux : M.E. Cates, M. Müller• Polymères vivants : M.E. Cates, . . . , F. Crevel , A. Cavallo• Reptation activée : A.N. Semenov, L. Mattioni , T. Kreer , . . .• Corrélations dans la phase fondue : ETSP ICS[PRL 2004, EPL 2007]

Perspectives de recherche à l’ICSANR TSANET : Réseaux transitoires auto-assemblés

Strasbourg : A. Cavallo (ANR + CNRS), I. Nyrkova (CDD), . . .Montpellier : C. Ligoure, L. Ramos, G. Porte, W. Kob, . . .

I Strasbourg :Polymères télécheliques (PT)

I Montpellier :Microemulsion + PT

I Strasbourg :Polymères Vivants (PV) + PT

Objectifs :

1. Diagrammes de phase

2. Rhéologie linéaire

3. Réponse non-linéaire : fluide ductile ⇔ fragile

Objectifs :

Perspectives de recherche à l’ICSANR SP-BRUSH : Brosses polymères cisaillées

Collab. : T. Kreer (Habilitation), A. Galuschko (Thèse),J. Baschnagel, K. Binder (Mainz),C. Pastorino (Buenos Aires), J. Klein (Tel Aviv)

I Question :Comment minimiser la friction ?

I Solution de la nature : brossesdans les joints synoviaux

I Notre approche : brossespolyélectolytes avec solvant etcontre-ions

I Premières études sur brossesneutres sans solvant effectuées

Conclusion• Études de physique en matière condensée? Matière granulaire : silo, tas de sable, jamming, fragilité? Solides amorphes : vibrations et réponse mécanique? Matière molle : polymères “morts" et “vivants"

⇒ ≈ 50 papiers : 1 Nature, 4 PRL, 7 EPL, . . .

• Organisation de la science? Encadrement : 4 stages, 3 thèses, 2 post-docs? 4 workshops (2 Lyon, 2 Strasbourg) et 1 confèrence? Séminaires (équipe, non-permanents), Conseil de Labo, . . .? ANR TSANET, ANR SP-BRUSH, STIPOMAT (S. Ivanov ), . . .

• Perspectives de recherche à l’ICS? Polymères denses : corrélations à longue portée? Polymères auto-associés : PV, PT, réseaux transitoires? Brosses cisaillées : comment minimiser la friction

• Dans l’avenir vers? systèmes (semi-)dilués (hétéropolymères biomimétiques)? systèmes auto-associés et hors équilibre? interactions à longue portée (hydrodynamiques, charges)? aspects dynamiques et rhéologiques

Conclusion

Perspectives de recherche à l’ICSMéthodes de simulation

• Enjeu : Équilibrer solutions denses avec N > 1000• Problème : Temps de relaxation ≈ diffusion sur Re ∼ N1/2

• “Double pivot" (H. Meyer)[NIC 2003]

I Algorithme très populaireproposé par D. Theodorou

I Résultat empirique : τ ∼ N1.7

I Comprendre cette relaxation etoptimiser les paramètres !

• “Rénormalisation inverse" (Kreer )

I grandes échelles avecinteractions effectives limitantles fluctuations de densité

I ajout systèmatique des degrésde liberté

• “Single Chain in Mean Field" (avec M. Müller, A. Cavallo )

I chaînes sans interactions dans champ extérieur ⇒simulation MC⇒ conformations équilibrées⇒champ extérieur à la Flory-Huggins ⇑

I Parallélisation simple !I Simulation des mésophases complexes possibleI Dynamique des phases au niveau “Cahn-Hilliard"I Polymères chargés ? !

Quelques papiers importants

Cinq articles ajoutés au dossier

I Computational confirmation of scaling predictions forequilibrium polymers , J. P. Wittmer, A. Milchev, M. E. Cates,Europhys. Lett., 41, 291 (1998).

I Jamming, Force Chains and Fragile Matter , M. E. Cates,J. P. Wittmer, J.-P. Bouchaud, P. Claudin,Phys. Rev. Lett., 81, 1841 (1998).

I Long Range Bond-Bond Correlations in Dense PolymerSolutions , J. P. Wittmer, et al., Phys. Rev. Lett., 93, 147801,(2004).

I Inhomogeneous elastic response of silica glass ,F. Léonforte, A. Tanguy, J. P. Wittmer, J.-L. Barrat, Phys. Rev.Lett., 97, 055501 (2006).

I Why polymer chains in a melt are not random walks ,J. P. Wittmer, et al., Europhys. Lett., 77, 56003 (2007).

Matière granulaireI An explanation for the central stress minimum

in sandpilesJ. P. Wittmer, M. E. Cates, P. Claudin, J.-P. BouchaudNature, 382, 6589 (1996).

I Jamming, Force Chains and Fragile MatterM. E. Cates, J. P. Wittmer, J.-P. Bouchaud, P. ClaudinPhys. Rev. Lett., 81, 1841 (1998).

I Stress propagation in a granular column :theory and experimentL. Vanel, Ph. Claudin, J.-Ph. Bouchaud, M. E. Cates,E. Clément, J. P. WittmerPhys. Rev. Lett., 84, 1439 (2000).

Quelques papiers importantsSolides amorphes

I Vibrations of Amorphous, Nanometric Structures :When does Continuum Theory Apply ?J. P. Wittmer, A. Tanguy, J.-L. Barrat, L. LewisEurophys. Lett., 57, 423 (2002).

I Inhomogeneous elastic response of silica glassF. Léonforte, A. Tanguy, J. P. Wittmer, J.-L. BarratPhys. Rev. Lett., 97, 055501 (2006).

Polymères chargésI Random and Alternating Polyampholytes

J. P. Wittmer, A. Johner, J. F. JoannyEurophys. Lett., 24, 263 (1993).

Quelques papiers importantsContraintes topologiques

I On two intrinsic length scales in polymer physics :topological constraints vs. entanglement lengthM. Müller, J. P. Wittmer, J.-L. BarratEurophys. Lett., 52, 406 (2000).

Brosses polymèresI Diffusive growth of a polymer layer by in situ

polymerizationJ. P. Wittmer, M. E. Cates, A. Johner, M. S. TurnerEurophys. Lett., 33, 397 (1996).

I Formation and Equilibrium Properties of LivingPolymer BrushesA. Milchev, J. P. Wittmer, D. P. LandauJ. Chem. Phys., 112, 1606 (2000).

Polymères vivantsI Computational confirmation of scaling predictions for

equilibrium polymersJ. P. Wittmer, A. Milchev, M. E. CatesEurophys. Lett., 41, 291 (1998).

I Osmotic Pressure of Solutions Containing FlexiblePolymers Subject to an Annealed Molecular WeightDistributionA. Milchev, J. P. Wittmer, P. van der Schoot, D. P. LandauEurophys. Lett., 54, 58 (2001).

Corrélations statiques dans la phase fondueI Long Range Bond-Bond Correlations in Dense

Polymer SolutionsJ. P. Wittmer, H. Meyer, J. Baschnagel, A. Johner,S. P. Obukhov, L. Mattioni, M. Müller, A. N. SemenovPhys. Rev. Lett., 93, 147801, (2004).

I Why polymer chains in a melt are not random walksJ. P. Wittmer, P. Beckrich, A. Johner, A. N. Semenov,S. P. Obukhov, H. Meyer, J. BaschnagelEurophys. Lett., 77, 56003 (2007).

I Long-range correlations in polymer melts :The segmental size distribution and its momentsJ. P. Wittmer, P. Beckrich, H. Meyer, A. Cavallo, A. Johner,J. Baschnagel, Phys. Rev. E, accepted (2007),arXiv :0704.1620.

Dynamique des polymèresI Rouse and Reptation Dynamics at Finite

Temperatures : A Monte Carlo SimulationJ. P. Wittmer, W. Paul, K. BinderMacromolecules, 25, 7211 (1992).

I On two intrinsic length scales in polymer physics :topological constraints vs. entanglement lengthM. Müller, J. P. Wittmer, J.-L. BarratEurophys. Lett., 52, 406 (2000).

I Dynamical Properties of the Slithering SnakeAlgorithm : A numerical test of the activated reptationhypothesisL. Mattioni, J. P. Wittmer, J. Baschnagel, J.-L. BarratEur. Phys. J. E, 10, 369 (2003).

Quelques papiers importantsMethodes de simulation

I Monte Carlo Simulation of Polymers : Coarse-GrainedModels , J. Baschnagel, J. P. Wittmer, H. MeyerIn Computational Soft Matter : From Synthetic Polymers toProteins, NIC Series Jülich, editor : N. Attig, 23, 83-140,(2004).

EncadrementStagiaires :

I M. Müller (Edimbourg, 1995, 1998) : Polymères enanneau et le rôle des contraintes topologiques

I A. Milchev (Edimbourg, 1996) :Simulation de Monte Carlo des PV

I Sadrine Godefroid (Lyon, 05-07/1999) :Brosse des PV

EncadrementStagiaires :

I M. Müller (Edimbourg, 1995, 1998) : Polymères enanneau et le rôle des contraintes topologiques

I A. Milchev (Edimbourg, 1996) :Simulation de Monte Carlo des PV

I Sadrine Godefroid (Lyon, 05-07/1999) :Brosse des PV

I Jacqueline Yaneva (Lyon, 04-07/2001) :Simulation de type dynamique brownienne des PV

I Fabien Léonforte (Lyon, 03-07/2001) :Vibrations des agrégats élastiques bi-dimensionels

I Yann Cesbron (Strasbourg, 02-07/2005) :Simulation des PV bi-dimensionels

I Svetoslav Ivanov (Strasbourg, 10-12/2007) :Dynamique des PV près des surfaces

EncadrementThésards :

I Laetitia Mattioni (LPMCN, Lyon, 2001-2004) :Renforcement des matrices polymères par des “charges"du type noir de carbone, co-direction avec J.L. Barrat,collaboration avec MICHELIN.

EncadrementThésards :

I Laetitia Mattioni (LPMCN, Lyon, 2001-2004) :Renforcement des matrices polymères par des “charges"du type noir de carbone, co-direction avec J.L. Barrat,collaboration avec MICHELIN.

I Fabien Léonforte (LPMCN, Lyon, 2003-2006) :Propriétés élastiques et plastiques des solides amorphes,co-direction avec J.L. Barrat.

I François Crevel (ICS, Strasbourg, 2004-2007) :Propriétés statiques et dynamiques des PV :constantes de réaction chimique effectives

EncadrementPost-docs :

I Torsten Kreer (ICS, Strasbourg, 2004-2010)? Dynamique des polymères dans les couches minces :

Reptation activée ?? Brosses polymères neutres cisaillées sans solvant :

Effets des thermostats (Langevin, DPD)? Brosses polyélectrolyes cisaillées avec solvant explicit

(ANR SP-BRUSH 2007-2010)I Anna Cavallo (ICS, 2006-2009)

? Caractèrisation des PV dans les couches minces? Réseaux auto-associés (ANR TSANET, CNRS) :

Polymères téléchéliques (PT), PT et PV

Ateliers de travail et confèrences1. Mesoscopic Modelling of Polymer Dynamics

CECAM, Lyon, France, (03-05/Feb/2003).

2. Modélisation Moléculaire des Polymèreset des Matériaux AmorphesICS, Strasbourg, France (06/Sep/2004).

3. Equilibrium and non-equilibrium properties ofSelf-Assembled PolymersICS, Strasbourg, France (10-11/Jan/2005).

4. Simulating deformed glasses and melts :From simple liquids to polymersCECAM, Lyon, France (12-14/Sep/2005).

5. Fundamental and Applied Macromolecular Science :Toward Next Generation MaterialsICS, Strasbourg, France (29-31/Jan/2007).

Conclusion

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