Adsorption of colloidal particles in the presence of external fields

We present a new class of sequential adsorption models in which the adsorbing particles reach the surface following an inclined direction (shadow models). Capillary electrophoresis, adsorption in the presence of a shear, and adsorption on an inclined substrate are physical manifestations of these models. Numerical simulations are carried out to show how the new adsorption mechanisms are responsible for the formation of more ordered adsorbed layers and have important implications in the kinetics, in particular, modifying the jamming limit.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Influence of hydrodynamic interactions on the adsoption process of large particles

We have studied the adsorption process of non-Brownian particles on a line. Our work differs from previously proposed models in that we have incorporated hydrodynamic interactions between the incoming particles and the preadsorbed particles as well as the surface. We then numerically analyze the effect of these interactions on quantities related to the adsorption process. Comparing our model to the ballistic deposition model (BM) shows a significant discrepancy in the pair correlation function. These results can explain some differences between recent experiments and BM predictions. Finally, the limitations of the applicability of BM are addressed.

Relaxation dynamics in suspensions of ferromagnetic particles

We have studied the relaxation dynamics of a dilute assembly of ferromagnetic particles in suspension. A formalism based on the Smoluchowski equation, describing the evolution of the probability density for the directions of the magnetic moment and of the axis of easy magnetization of the particles, has been developed. We compute the rotational viscosity from a Green-Kubo formula and give an expression for the relaxation time of the particles which comes from the dynamic equations of the correlation functions. Concerning the relaxation time for the particles, our results agree quite well with experiments performed on different samples of ferromagnetic particles for which the magnetic energy, associated with the interaction between the magnetic moments and the external field, or the energy of anisotropy plays a dominant role.

Stochastic resonance in a system of magnetic particles

We show that a dispersion of monodomain ferromagnetic particles in a solid phase exhibits stochastic resonance when a driven linearly polarized magnetic field is applied. By using an adiabatic approach, we calculate the power spectrum, the distribution of residence times, and the mean first passage time. The behavior of these quantities is similar to the behavior of corresponding quantities in other systems where stochastic resonance has also been observed.

Monte Carlo study of the finite-size effects on the magnetization of maghemite small particles

Monte Carlo simulations of a model for gamma-Fe2O3 (maghemite) single particle of spherical shape are presented aiming at the elucidation of the specific role played by the finite size and the surface on the anomalous magnetic behavior observed in small particle systems at low temperature. The influence of the finite-size effects on the equilibrium properties of extensive magnitudes, field coolings, and hysteresis loops is studied and compared to the results for periodic boundaries. It is shown that for the smallest sizes the thermal demagnetization of the surface completely dominates the magnetization while the behavior of the core is similar to that of the periodic boundary case, independently of D. The change in shape of the hysteresis loops with D demonstrates that the reversal mode is strongly influenced by the presence of broken links and disorder at the surface

Quantum tunneling of magnetization in single domain particles

We present a study of the magnetic relaxation of several ferrofluids composed of particles of about 40 Å in diameter (Fe3O4FeC, CoFe2O4). Our key observation is a nonthermal character of the relaxation below 3 K for the CoFe2O4 ferrofluid and below 1 K for the FeC ferrofluid. The crossover temperature from thermal to nonthermal (quantum) regime is in accordance with theoretical suggestions of macroscopic quantum tunneling of magnetization in single doma in particles

Quantum decay of metastable states in small magnetic particles

We present an imaginary-time path-integral study of the problem of quantum decay of a metastable state of a uniaxial magnetic particle placed in the magnetic field at an arbitrary angle. Our findings agree with earlier results of Zaslavskii obtained by mapping the spin Hamiltonian onto a particle Hamiltonian. In the limit of low barrier, weak dependence of the decay rate on the angle is found, except for the field which is almost normal to the anisotropy axis, where the rate is sharply peaked, and for the field approaching the parallel orientation, where the rate rapidly goes to zero. This distinct angular dependence, together with the dependence of the rate on the field strength, provides an independent test for macroscopic spin tunneling.

Resonant spin tunneling in small antiferromagnetic particles

The paper reports a detailed experimental study on magnetic relaxation of natural horse-spleen ferritin. ac susceptibility measurements performed on three samples of different concentration show that dipole-dipole interactions between uncompensated moments play no significant role. Furthermore, the distribution of relaxation times in these samples has been obtained from a scaling of experimental X" data, obtained at different frequencies. The average uncompensated magnetic moment per protein is compatible with a disordered arrangement of atomic spins throughout the core, rather than with surface disorder. The observed field dependence of the blocking temperature suggests that magnetic relaxation is faster at zero field than at intermediate field values. This is confirmed by the fact that the magnetic viscosity peaks at zero field, too. Using the distribution of relaxation times obtained independently, we show that these results cannot be explained in terms of classical relaxation theory. The most plausible explanation of these results is the existence, near zero field, of resonant magnetic tunneling between magnetic states of opposite orientation, which are thermally populated.

Counter-ion effect on surfactant-DNA gel particles as controlled DNA delivery systems

The ability to entrap drugs within vehicles and subsequently release them has led to new treatments for a number of diseases. Based on an associative phase separation and interfacial diffusion approach, we developed a way to prepare DNA gel particles without adding any kind of cross-linker or organic solvent. Among the various agents studied, cationic surfactants offered particularly efficient control for encapsulation and DNA release from these DNA gel particles. The driving force for this strong association is the electrostatic interaction between the two components, as induced by the entropic increase due to the release of the respective counter-ions. However, little is known about the influence of the respective counter-ions on this surfactant-DNA interaction. Here we examined the effect of different counter-ions on the formation and properties of the DNA gel particles by mixing DNA (either single- (ssDNA) or double-stranded (dsDNA)) with the single chain surfactant dodecyltrimethylammonium (DTA). In particular, we used as counter-ions of this surfactant the hydrogen sulfate and trifluoromethane sulfonate anions and the two halides, chloride and bromide. Effects on the morphology of the particles obtained, the encapsulation of DNA and its release, as well as the haemocompatibility of these particles, are presented, using the counter-ion structure and the DNA conformation as controlling parameters. Analysis of the data indicates that the degree of counter-ion dissociation from the surfactant micelles and the polar/hydrophobic character of the counter-ion are important parameters in the final properties of the particles. The stronger interaction with amphiphiles for ssDNA than for dsDNA suggests the important role of hydrophobic interactions in DNA.