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Theses

Elastocapillary windlass: from spider silk to smart actuators

Résumé : For more details about my past and current research projects, find me at herveelettro.wordpress.com. Le but de cette thèse était de comprendre et recréer artificiellement un mécanisme d’autoassemblage faisant appel aux notions de capillarité et d’élasticité dans la soie d’araignée. La fonction première des gouttes de glue microniques qui existent sur la soie d’araignée dîte de capture est de fournir à la toile ses propriétés adhésives, cruciales pour atteindre une efficacité digne d’un piège. Ces gouttes jouent pourtant un autre rôle : elles améliorent de façon spectaculaire les propriétés mécaniques de la soie, et permettent par la même occasion de préserver l’intégrité structurelle de la toile. Ceci est dû à la localisation de l’instabilité de flambage au sein des gouttes de glue, qui sont le site d’une surcompression de la part des ménisques capillaires, ce qui provoque un enroulement local de la fibre, et la retension du système entier. Ceci constitue un microsystème d’enroulement automatique qui tire son énergie de la capillarité, qui sera appelé treuil élasto-capillaire. La première partie de ma thèse fut dédiée à la caractérisation d’échantillons naturels et à la visualisation du treuil naturel, à travers le réglage de paramètres d’environnement, des observations microscopiques, des mesures de forces sub-micronewtons en compression et en tension, mais aussi de l’analyse d’image et la résolution de problèmes techniques. Les mesures indiquent qu’il y a un rapport intime entre la forme locale de la fibre et les propriétés mécaniques de l’ensemble de l’échantillon. L’existence du phénomène de treuil implique que ce système spécial de gouttes sur fibre se comporte sous compression comme un liquide, alors que sous tension il possède un régime de ressort élastique classique. Les araignées ont donc trouvé un moyen de construire des hybrides mécaniques liquide-solide grâce à une technique de functionalisation induite par forme. Nous avons utilisé un modèle n'incluant que des arguments mécaniques pour expliquer ce comportement unique, ainsi qu’une analogie avec le formalisme des transitions de phases. Nous modélisons ce système comme une goutte sur une fibre déformable, et montrons que si l’énergie de mouillage est supérieure à l’énergie de courbure, le système “s’active” et l’enroulement en goutte commence. Des simulations numériques du problème de l’elastica 3D sous compression locale dans un potentiel de confinement mou reproduit le lien observé entre la forme locale de la fibre et la réponse mécanique. Nous fabriquons ensuite des fibres flexibles de taille micronique et longues de plusieurs centimètres par extrusion de polymères thermoplastiques, et montrons que le simple dépôt d’une goutte de liquide mouillant permet par la suite la création efficace d’un système ayant des propriétés mécaniques proches de celles de la soie d’araignée de capture. La caractérisation expérimentale des systèmes de goutte sur fibre enroulable est en accord avec les simulations numériques et la théorie, notamment pour des propriétés telles que le seuil d’activation, l’existence d’un hystérésis, les détails subtils de la courbe contrainte-déformation, ou encore l’influence de la gravité et de la déformabilité de la surface de la goutte. Nous montrons ensuite que les systèmes de goutte sur fibre enroulable peuvent être enrichi par de nouveaux degrés de liberté, tels que l’utilisation de plusieurs fibres, les changements de température ou la possibilité d’évaporation. Ceci a mené à la conception d’actionneurs et de capteurs, ainsi qu’à une nouvelle technique de microfabrication 3D, révélant le potential de situations de plus en plus complexes, tant technologiquement qu’académiquement.
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https://hal.sorbonne-universite.fr/tel-01200518
Contributor : Hervé Elettro <>
Submitted on : Friday, December 4, 2015 - 5:07:22 PM
Last modification on : Thursday, March 21, 2019 - 12:59:20 PM
Document(s) archivé(s) le : Saturday, April 29, 2017 - 3:01:28 AM

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  • HAL Id : tel-01200518, version 2

Citation

Hervé Elettro. Elastocapillary windlass: from spider silk to smart actuators. Mechanics of the fluids [physics.class-ph]. UPMC, 2015. English. ⟨tel-01200518v2⟩

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