Propagation de l'embolie gazeuse dans des systèmes biomimétiques inspirés des plantes

Dans un contexte de changement climatique marqué par l'augmentation de la fréquence et de l'intensité des sécheresses, comprendre la vulnérabilité hydraulique des arbres constitue un enjeu majeur. Le transport de l'eau dans les végétaux s'effectue dans le xylème, un réseau vasculaire soumis à des pressions très négatives. Sous stress hydrique, ce réseau peut être perturbé par la formation d'embolie gazeuse, c'est-à-dire l'apparition de bulles d'air bloquant localement la circulation de la sève. La dynamique de ces embolies, leur propagation et leur rôle dans le dépérissement des arbres restent encore des questions ouvertes, en raison notamment de la complexité anatomique des tissus végétaux et de la difficulté d'observer ces phénomènes in situ. Cette thèse s'inscrit dans une démarche de biomimétisme microfluidique. L'objectif principal est de mieux comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent la formation et la propagation des embolies dans les plantes, en développant des feuilles artificielles microfluidiques inspirées de l'organisation hiérarchique du xylème réel. Ces dispositifs permettent un contrôle fin de la géométrie (taille des conduits, variations de connectivité, présence de constrictions), un suivi optique direct des interfaces gaz-liquide et la possibilité de tester séparément des paramètres difficilement isolables dans les feuilles naturelles. Le manuscrit s'ouvre sur un état de l'art détaillé décrivant l'anatomie du xylème, le transport de la sève sous tension, les risques d'embolie, le rôle des ponctuations et introduit les premiers modèles biomimétiques. La thèse explore ensuite en détails un réseau vasculaire biomimétique selon trois axes complémentaires : - La reproduction expérimentale de la dynamique hiérarchique de l'embolie grâce à des feuilles artificielles en PDMS, dont la géométrie contrôle la séquence de propagation. Cette partie met en évidence le rôle crucial du réseau vasculaire et des constrictions dans la structuration des fronts d'embolie. - L'étude de la pression interne dans les réseaux biomimétiques, obtenue en mesurant la déformation des canaux. Cette approche fournit des informations nouvelles sur l'évolution de la pression hydraulique et met en lumière l'existence de valeurs critiques déclenchant les sauts d'embolie. - Des simulations numériques dédiées, permettant d'explorer systématiquement les paramètres géométriques et d'étendre les résultats expérimentaux. Les modèles reproduisent la hiérarchie des fronts d'embolie observée en expérience et éclairent le rôle des tailles de constrictions et celui de la connectivité du réseau. Enfin, la thèse s'intéresse à la dynamique rapide des événements d'embolie, grâce à quatre dispositifs complémentaires : observations à haute vitesse du passage des ménisques à travers des constrictions dans les réseaux biomimétiques, propagation d'interfaces sous gradient de pression imposée, observations d'événements rapides d'embolie dans une feuille naturelle et génération contrôlée de bulles de cavitation dans des cavités d'hydrogel via osmose ou déclenchement laser. L'ensemble des systèmes étudiés, artificiels et naturels, conduit à une conclusion transversale : la vitesse d'expansion d'une bulle confinée suit une tendance universelle gouvernée par la différence de pression de part et d'autre de l'interface. Cette approche intégrée, mêlant biomimétisme, microfluidique, physique des interfaces et modélisation numérique, permet d'apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes de propagation d'embolie gazeuse au sein du réseau de sève des plantes et ouvre des perspectives pour de futurs modèles expérimentaux dédiés à l'étude de la résistance des plantes aux sécheresses.