Une bille de gaz est une bulle de savon dont les interfaces liquide-air sont
chargées en particules. Obtenue par repliement d’un film granulaire sur
lui-même, elle constitue un objet triphasique (solide, liquide, gaz)
encapsulant de l’air dans une coque constituée d’un film liquide et de
particules solides. Cette encapsulation ouvre la voie à des applications
variées notamment des matériaux de conditionnement de gaz, comme vecteur d’un
médicament gazeux ou encore en cuisine. De par leur composition hiérarchique
triphasée, un empilement de billes de gaz est potentiellement un bon
amortisseur de vibrations acoustiques. Cette thèse vise à produire des billes
de gaz de manière reproductible, avec une coque stable et empilable, afin
d’évaluer leurs propriétés de dissipation sonore.

Dans un premier temps, une étude de la rupture d’un film granulaire, qui
constitue la coque, révèle que son ouverture s’effectue en deux étapes. Aux
temps courts, la dynamique s’apparente à celle d’un film liquide tandis qu’aux
temps longs, ce film se fracture comme une membrane solide. La vitesse
d’ouverture initiale diminue avec la pression liquide pour aller jusqu’à un
blocage complet de l’ouverture.

Dans un second temps, l’élaboration des billes de gaz a porté sur
l’optimisation de la phase liquide répondant au mieux à l’objectif de la thèse
en conservant pour la partie solide des particules sphériques monodisperses de
polystyrène, partiellement hydrophobes, d’une centaine de microns de diamètre.
Pour que cette phase liquide donne une coque stable dans le temps, nous avons
ajouté du glycérol pour limiter l’évaporation. Nous avons également substitué
l’eau par un hydrogel de polyacrylamide réticulé physiquement par de la
Laponite qui favorise l’empilement des billes de
gaz en prévenant de la coalescence entre billes sans modifier de manière
significative leurs propriétés mécaniques. Une étude rhéologique a
déterminé la composition assurant une cinétique de prise adaptée au temps
d’élaboration et des modules élastiques compatibles avec un solide mou, à la
fois déformable et résistant.

La microstructure de ces objets a été caractérisée par microtomographie X,
révélant un nombre de couches de particules constant proche de la monocouche
avec une asymétrie d’angle de contact de part et d’autre de la coque. Sur le
plan mécanique, nous avons conçu une cellule de pression appliquant une
pression externe sur la coque de manière à tester le comportent de nos billes
de gaz en compression et en expansion. Il en résulte que ces objets se
comportent comme des bulles de gaz parfait en dilatation, mais leur coque,
renforcée par les particules, augmente leur résistance à la compression. Grâce
à cette cellule nous avons également obtenu la pression de rupture de la coque
qui peut aller jusqu’à la dizaine de kPa. Ces billes de gaz à base d’hydrogel
permettent un empilement sur une hauteur de 5 diamètres.

Une étude préliminaire de l’absorption des ondes sonores a été menée à
l’aide d’un tube à ondes stationnaires. Les empilements de billes de gaz montrent
un comportement différent des empilements de sphères dures de même taille et
présente une absorption plus grande. L’utilisation de modèle de la littérature
montre que la déformation des billes de gaz est à prendre en compte. Néanmoins,
un modèle plus abouti et des expériences complémentaires sont requis pour
élucider les mécanismes d’absorption sonore.

Ainsi, cette thèse pose les bases de l’utilisation des billes de gaz comme
matériaux en ayant montré la possibilité d’aller vers l’empilement de ces
objets.