Focus sur le parcours de Christophe Brouzet, chargé de recherche CNRS à l’INPHYNI

Chargé de recherche CNRS, Christophe Brouzet a récemment rejoint l’Institut de Physique de Nice (INPHYNI). Au sein de l’équipe Fluides Complexes, le chercheur développe sa thématique de recherche sur la dynamique des fibres dans des écoulements turbulents. Dans cette optique, l’Académie « Systèmes Complexes » a alloué au physicien une subvention IdEx " Booster Junior " de 30k€. Retour sur son parcours.
  Ayant un intérêt prononcé pour tout ce qui attrait à la géophysique et aux écoulement naturels, Christophe Brouzet se penche pour sa thèse sur des ondes qui se propagent dans des milieux stratifiés en densité :

« J’ai réalisé ma thèse au laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon sur des ondes internes qui se propagent dans les océans. »

Les ondes internes de l’océan sont des ondes de gravité qui se manifestent par des oscillations sous-marines de l’eau. Elles se propagent dans des milieux stratifiés en densité, c’est-à-dire, des milieux dont la densité (qui dépend de la température et de la salinité) varie selon la profondeur.

« L’eau des océans est un des exemples les plus parlants de tels fluides pour lesquels la densité évolue en fonction de la profondeur. Plus on s’enfonce dans les profondeurs, plus l’eau de mer est froide et salée, et plus sa densité s’accroît. »

Pour étudier ces ondes, le physicien mènent des expériences en laboratoire :
 
Ces ondes, généralement imperceptibles en surface, se propagent à travers toute la stratification à partir des topographies océaniques où elles sont principalement générées par la marée. Elles sont ainsi capables de transporter de l’énergie sur de longues distances, ce qui a pour effet de redistribuer aux petites échelles l’énergie des marées (à travers une cascade d’énergie).

Considérées comme des perturbations de l’espace océanique sous-marin, il s’avère qu’elles jouent un rôle essentiel au mélange des eaux océaniques et affectent plus largement le système climatique :

« Les ondes internes de gravité participent à la dynamique de circulation profonde de l’océan (circulation thermohaline) et de l’atmosphère. Elles sont notamment invoquées pour expliquer le mélange irréversible permettant de combiner les eaux de surface, plus chaudes, avec les eaux froides profondes. Elles permettent ainsi le transfert d’énergie sur de grandes distances et à travers les échelles. Comprendre leur cycle de vie et leur impact est fondamental pour faire progresser les modèles climatiques actuels. »
  Pour son postdoctorat, le physicien se tourne vers une tout autre étude et se consacre aux comportements de fibres naturelles de taille nanométrique dans des écoulements microfluidiques. Après sa thèse, Christophe Brouzet décide ainsi de partir deux ans en Suède où il rejoint l’Institut Royal de Technologie (KTH,) :
 
Les nanofibrilles de cellulose (CNF) obtenues à partir du bois sont un matériau biosourcé et renouvelable. Pour étudier ces fibres mille fois plus petites que celles utilisées pour faire du papier, une étude expérimentale a été développée. Elle reposait sur l’observation des fibrilles soumises à diverses phénomènes dans des microcanaux : écoulement extensionnel, phénomène d’accélération, effet d'un champ électrique de courant alternatif.

« Ces travaux visaient à générer de nouvelles connaissances sur la dynamique en suspension de telles nanofibrilles et, à décrypter comment elles s’organisaient dans un écoulement microfluidique et comment elles réagissaient à différents stimuli. »

Les résultats de ces expériences trouvent aussi un écho d’un point de vue appliqué pour la mise en forme des matériaux composites constitués ou renforcés par des fibres naturelles :

« Ces expériences avaient également pour objectif de mieux comprendre le développement de ces nanostructures lors de la conception de matériaux performants avec la microfluidique.»

Les suspensions de nanoparticules et, en particulier des nanofibres dans des écoulements microfluidiques sont une des techniques les plus utilisées dans le cadre du développement de matériaux plus durables.

En effet, dans le but de remplacer les matériaux toxiques ou non-biodégradables issus de la pétrochimie, les efforts se concentrent vers la fabrication de matériaux biosourcés. Ainsi, un intérêt considérable est porté aux fibres cellulosiques, qui sont directement issues de végétaux.

Ces fibres naturelles peuvent se substituer aux charges minérales (fibres de verre ou de carbone etc.) par leur introduction dans les polymères car elles sont capables de renforcer des matrices.

Le biocomposite issu de cette incorporation se trouve doté de propriétés mécaniques sensiblement améliorées. Elles peuvent être également assemblées directement entre elles sous la forme de super-structures hiérarchiques macroscopiques (des filaments ou des feuilles), permettant de transférer les propriétés mécaniques remarquables des nanofibrilles au niveau macroscopique.

Pour optimiser la fabrication de ces matériaux, il est donc essentiel de disposer d’une connaissance fine de leur microstructure et de leur évolution lors d’un écoulement.
Cette plateforme expérimentale a ainsi permis d’observer puis, de comprendre comment les fibres s'orientaient et se comportaient sous l'influence des contraintes induites par le fluide et les fibres voisines lors d’un écoulement.

Les données recueillies lors de cette étude ont permis de pouvoir être en capacité de prévoir leurs orientations finales avant qu’elles ne soient figées au sein du matériau final. Ceci est d’autant plus important que l'orientation des fibres influent sur les propriétés mécaniques des matériaux.

Cette étude expérimentale a été l’opportunité pour le physicien de découvrir la thématique de la dynamique des fibres en suspension concentrée :
 
A la suite de son postdoctorat en Suède, Christophe Brouzet décide de retourner en France :

« Après mon postdoc je suis retourné à l’IRPHÉ (Marseille). J’y suis resté 3 ans et, j’ai notamment travaillé avec Gautier Verhille sur des fibres (peu concentrées) en turbulence et, plus particulièrement sur leur fragmentation en lien avec celle du plastique dans les océans. »

En 2021, le physicien obtient son concours du CNRS en section 2 et se retrouve affecté à l’Institut de Physique de Nice où il rejoint l’équipe Fluides Complexes.
 

Actuellement, il développe son travail de recherche sur la dynamique individuelle de particules flexibles dans un écoulement turbulent avec le projet CanalFlex.
Ce projet propose de conduire des expériences en laboratoire dans un canal afin d’y faire circuler des fibres flexibles (modélisant des débris plastiques, des sédiments, de la matière organique, etc.) à proximité d’une paroi.

Christophe Brouzet, collabore aussi avec Simon Thalabard (MCF théoricien-numéricien) de l’INPHYNI sur un autre projet autour de la turbulence nommé Expériences stochastiques de tourbillons dipolaires (Estourdi).

La turbulence est l’état d’un fluide dont l’écoulement se caractérise par des mouvements tourbillonnaires désordonnés. Chacun fait expérience de ce phénomène lors, par exemple, de l’observation des enroulements de la fumée d'une cigarette ou des enchevêtrements de tourbillons dans une rivière.

Le projet Estourdi a été financé par l’Institut de Physique du CNRS (INP). Il se penche sur des théories qui laisseraient à penser que les écoulements turbulents sont imprévisibles par nature du fait d’un comportement fondamentalement aléatoire.

Ainsi, l’évolution du mouvement de ces fluides serait non prédictible car gouvernée par un système purement stochastique (aléatoire).

 

• https://sites.google.com/site/cbrouzet/publications
• Article fragmentation de fibres en turbulence : https://journals.aps.org/prfluids/abstract/10.1103/PhysRevFluids.6.024601
• Article sur la caractérisation de la dynamique d’orientation des nanofibres dans l’écoulement microfluidique :https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsmacrolett.8b00487
• Article sur l’assemblage de nanofibrilles en filament aux propriétés mécaniques remarquables : https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b01084