Thèse Comment les Sargasses S'Enchevêtrent Lien Entre Rhéologie et Microstructure d'Agrégats d'Objets Flexibles et Ramifiés H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National Polytechnique de Toulouse École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés Laboratoire de recherche : LGC - Laboratoire de Génie Chimique Direction de la thèse : Olivier MASBERNAT ORCID 0000000303090729 Début de la thèse : 2027-09-01 Date limite de candidature : 2026-11-23T23:59:59 Cette offre de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet collaboratif entre l'Université de Toulouse en France (UT, organisme d'accueil principal) et l'Université Nationale Autonome du Mexique, à Sisal, au Mexique (UNAM, organisme d'accueil associé). Le projet vise à comprendre comment les propriétés mécaniques des amas de sargasses enchevêtrées découlent des caractéristiques des algues individuelles.
Les sargasses natans et fluitans sont des algues pélagiques qui forment des radeaux flottants dans l'Atlantique tropical. Au cours de la dernière décennie, leur prolifération a entraîné de fréquents échouages, provoquant des répercussions négatives sur l'économie et la santé dans les Caraïbes. Pour prédire le comportement de ces radeaux en vue de mettre en place des stratégies d'atténuation, il est nécessaire de connaître leurs propriétés mécaniques, qui sont actuellement inconnues. Ces propriétés découlent de la structure enchevêtrée du radeau, maintenue par le frottement et les points d'enchevêtrement entre les algues ramifiées et flexibles. À l'aide d'outils issus de la mécanique des solides et de la physique des milieux granulaires, le projet permettra de mettre au jour les propriétés mécaniques d'assemblages enchevêtrés d'objets complexes, et d'expliquer comment le comportement collectif émerge des caractéristiques individuelles.
L'approche expérimentale s'appuiera sur des modèles simplifiés de sargasses imprimés en 3D, présentant des géométries et des degrés de flexibilité variés. Des agrégats de ces objets seront formés dans des environnements secs ou humides, puis caractérisés par microtomographie à rayons X (µtomoX). Une machine de traction-compression sur mesure, compatible avec la µtomoX, permettra de mettre en regard les changements microstructuraux avec les propriétés rhéologiques macroscopiques. À plus grande échelle, des expériences en canal permettront de quantifier la formation et la désintégration des radeaux en présence de vagues et de vent contrôlés. Cette approche multi-échelle contribuera à élucider le lien entre la microstructure, l'enchevêtrement et la rhéologie des radeaux de sargasses, ouvrant ainsi la voie à une meilleure prévision de leur comportement à la surface de l'océan.
Sargassum species natans and fluitans are pelagic algae - that is to say, they spend their entire life cycle on the ocean's surface, where they may aggregate into rafts. Since 2011, increased proliferation of this macroalgae in the Tropical Atlantic Ocean results in more frequent and massive seaweed beaching events on Caribbean shores [1]. The coasts of Mexico and of the French overseas territories are both burdened by the economic and health damage caused by Sargassum stranding, which motivates the international collaboration of the PhD project.
Damage mitigation requires prevention strategies, which are based on predicting the arrival of the rafts (Sargassum forecast') and/or intercepting them. However, anticipating the behaviour (formation, fragmentation, transport) of an entangled raft on the ocean's surface or upon contact with an obstacle requires knowledge of its mechanical properties [2], which are currently unknown.
The mechanics of randomly entangled assemblies has recently started to attract attention from fields such as dispersed media physics [3] or architectural design [4] - the bird nest being a major inspiration in both cases. Experience teaches us that not all objects are able to form entangled structures: hairs or staples can, but rice grains cannot. The entanglement of an assembly of identical objects depends on their ability to form points of geometrical interlocking, in addition to points of mere frictional contact. Two properties of the individual object may contribute to that: the presence of bends', as in staples [5, 6], and the deformability of individual objects, for example if they are very slender, such as fibres, threads or hairs [3].
Single natans or fluitans Sargassum algae take the form of a ramified flexible stem with blades (equivalent to leaves) and overall size of a few tens of centimeters [1]. These objects thus feature both entangling factors (presence of bends and deformability), whose combination has not been investigated, and may result in original phenomena.
Sargassum macroalgae (species natans and fluitans) are known to aggregate and form floating rafts at the surface of the ocean. As compared to the individual algae, these entangled structures - that can reach kilometric sizes - respond differently to forces applied by wind or waves as they fragment, merge or get transported. It is however unclear how the collective mechanical behavior of the raft emerges from the properties of the individual building blocks - this is the research challenge we propose to address.
How does a Sargassum raft form and break up? What mechanical and rheological properties can be attributed to it? How do these depend on the microstructure - that is, on the geometry of individual algae and their arrangement? The objective of this PhD project is to address these questions through an original experimental approach, at the intersection of solid mechanics and the physics of granular media.
This experimental project will combine tools from solid mechanics and dispersed media physics to elucidate the link between the rheology, entanglement and microstructure of aggregates of flexible, branched objects. The following task blocks are envisioned:
Simplified Sargassum design: Simplified, scaled-down models of Sargassum will be produced using 3D printing. Three types of geometry may be tested: fibres (bare stems'), unbranched bent objects (staple-shaped) and branched bent objects (stems with branches/blades), which will enable the role of branching in the cohesion of the clumps to be isolated. The flexibility of the objects (with fixed geometry) will also be a control parameter, determined by the Young's modulus of the printed material.

Aggregate formation: Protocols to prepare clusters containing several hundreds of objects will be developed. The aggregation process may take place in a dry environment (e.g. in a vibrating container) or in the presence of a water-air interface (in a container partially filled with water and subjected to sloshing). The structure of the clusters thus formed, in particular the contact and interlocking points, will be characterised using X-ray microtomography (µtomoX).

Mechanical characterization: Each aggregate will be subjected to controlled mechanical stresses (vibrations, tension-compression), during which its deformation will be measured. A custom-made tensile-compression machine compatible with µtomoX will be developed to monitor changes in the microstructure during the stretching or compression, and to correlate them with macroscopic rheological properties.

Upscaling: Moving towards more realistic mechanical stresses, floating rafts of model Sargassum may also be formed in a water flume. Aggregate formation and disintegration will then be quantified under controlled wave and wind conditions.
This multi-scale experimental approach should help to clarify how the geometry and flexibility of branched objects determine their ability to entangle and, ultimately, the mechanical response of the aggregates they form.

Nous recherchons un-e candidat-e enthousiaste, titulaire d'un master en ingénierie (mécanique, industrielle, etc.) ou en physique, et passionné-e par les développements expérimentaux. Des éléments de connaissance en physique de la matière molle et en mécanique des milieux continus sont vivement recommandés. Une expérience préalable en laboratoire, ainsi que des compétences en analyse d'images et/ou programmation de dispositif expérimentaux constitueront un atout. Le-a candidat-e devra maîtriser l'anglais, à l'écrit comme à l'oral, et avoir démontré sa capacité à travailler en réseau.

Application link : https://edd-projets.utoulouse.fr/

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