Jury :

• Rapporteur: Daniel BONAMY, DR CEA, Paris-Saclay
• Rapporteur: Jérôme WEISS, DR CNRS, ISTerre Grenoble
• Examinatrice: Elsa BAYART, CR CNRS, ENS Lyon
• Examinateur: Djimedo KONDO, Prof. UPMC Paris
• Examinatrice: Véronique LAZARUS, Prof. ENSTA Paris
• Codirecteur: Stefano GIORDANO, DR CNRS, IEMN Lille
• Codirecteur: Giuseppe PUGLISI, Prof. DICATECh Bari, Italie
• Codirecteur invité: Nicola M. PUGNO ,Prof. DICAM Trento, Italie
• Invité: Giuseppe FLORIO, Prof. DICATECh Bari, Italie

Résumé :

Les phénomènes de fracture et de décohésion dans les matériaux mous résultent de la rupture et dureformage de liaisons à l’échelle moléculaire. Malgré leur diversité, plusieurs réponses des systèmesartificiels et biologiques suivent des transitions analogues, comme le repliement-dépliement desprotéines, les transformations martensitiques dans les alliages métalliques ou la propagation desfissures dans les structures d’ingénierie. Ces transitions sont fondamentales pour la conception dematériaux innovants, la nanotechnologie et la matière molle, incluant biomatériaux et substances detype caoutchouc. Ces systèmes partagent des caractéristiques avec la fracture et la décohésion qui fontl’objet de cette thèse: (i) la présence de paysages énergétiques à bassins multiples, où des changements dans les conditions limites peuvent déclencher des transitions entre une multiplicitéd’états métastables; (ii) l’émergence de réponses macroscopiques à partir d’interactions à petiteéchelle, comme la micro-fissuration conduisant à la défaillance des matériaux; et (iii) une sensibilitéprononcée aux effets de température et de vitesse, comme la réduction de la force nécessaire pour ladénaturation de l’ADN ou pour la délamination de films minces avec l’augmentation de la températureet de la vitesse de chargement. En s’appuyant sur ces aspects unificateurs, cette thèse développe etétudie des modèles multi-échelles qui prennent explicitement en compte les effets de la températuredans une gamme de phénomènes de transition, incluant la propagation des fissures, les processusd’adhésion et de désadhésion, ainsi que la variation de rigidité des ressorts entropiques dans lespolymères mécaniquement entrelacés (mechanically interlocked polymers, MIPs). Les applications vontde la mécanique classique à l’étude de biomatériaux, cytosquelettes artificiels, cellules synthétiques etportes logiques nano-mécaniques. Méthodologiquement, le cadre multi-échelles est ici mis en oeuvre àtravers la formulation concurrente de modèles discrets et de modèles en limite continue. Les modèlesdiscrets intègrent les effets de la température via la mécanique statistique classique, capturant lesfluctuations à l’échelle moléculaire et nanométrique, ce qui permet une dérivation rigoureuse des effetsentropiques et thermiques sur le comportement en fracture et décohésion. Les modèles en limitecontinue décrivent les mécanismes d’élasticité et de propagation de fissure à l’échelle mésoscopique.Tous les résultats sont obtenus sous forme analytique fermée, fournissant ainsi une caractérisationrigoureuse des mécanismes physiques fondamentaux sous-jacents. Du point de vue méthodologique, lafracture et la décohésion sont analysées à l’aide d’une approche énergétique basée sur le critèred’énergie de Griffith. Une contribution clé de cette thèse est l’extension de ce critère classique pourincorporer explicitement l’influence des fluctuations thermiques. L’innovation principale réside dans laminimisation de l’énergie libre totale du système, avec des contributions entropiques ajoutées auxtermes classiques de fracture. Des résultats analytiques sont obtenus pour la dépendance des termesd’énergie de rupture et de décohésion, ainsi que pour les contraintes et déformations limitescorrespondantes, y compris les contributions résultant de la température. Le cadre théorique proposémet en évidence des effets significatifs de la température, la charge critique diminuant avecl’augmentation de la température. Fait remarquable, une température critique est identifiée à laquellele système subit une transition de phase, conduisant à la fracture ou à la décohésion même enl’absence de toute charge mécanique appliquée. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives surl’interaction entre température et phénomènes de fracture dans un cadre de mécanique multi-échelles,ouvrant des perspectives pour la conception rationnelle de matériaux et systèmes avancés dans diversdomaines.