Projet DRAINFILM : La mécanique de fluide à l'échelle des films de bulles
Les mousses à raser, les mousses de bière ou alimentaires, les mousses extinctrices pour étouffer le feu, ou encore l'écume de mer sont des exemples familiers de matériaux qui ont le point commun d’être composés de bulles de gaz dispersées au sein d’un liquide. Au-delà de ces exemples, cette composition biphasique confère des propriétés uniques à ces mousses, ce qui permet de nombreuses applications dans de nombreux secteurs tels que la séparation de minerais, la dépollution des sols, l’extraction d’hydrocarbures ou encore la fabrication de matériaux alvéolés. La stabilité de ces mousses « liquides » est grandement liée aux films de liquide situés au contact entre deux bulles. Ces films, souvent très minces (de 10 à 1000 fois moins épais que le diamètre d’un cheveu), doivent leur stabilité à la présence de molécules tensioactives qui viennent s’adsorber aux interfaces. Cependant, ces films liquides s’écoulent, s’amincissent et finissent par se rompre. Il est donc crucial de comprendre ces dynamiques pour déterminer la durée de vie des bulles au sein de ces mousses et identifier les mécanismes sous-jacents afin de pouvoir ensuite contrôler leur stabilité.
Le projet DRAINFILM, porté par Université Côte d’Azur et le CNRS, en partenariat avec l’Université Paris-Saclay et l’Université de Rennes, vise à étudier la stabilité d’un film ou d’une bulle unique et à comprendre quels sont les éléments pertinents dans son écoulement et sa stabilité. Répondre à cette question est difficile car la physique en jeu est multi-phénomène et multi-échelle. Prenons l’exemple d’une bulle formée en soufflant dans une solution savonneuse. La bulle apparaît colorée du fait des interférences lumineuses qui renseignent sur son épaisseur, mais ce qui est frappant, c'est que la répartition de ces couleurs n’est pas homogène et il se forme des petits îlots qui remontent au sein de la bulle, contre la gravité, avec des trajectoires complexes. Dans ce projet, les scientifiques effectuent des études expérimentales et théoriques pour comprendre les conditions d’apparition de ces écoulements et comment ils contribuent à l’amincissement de la bulle. L'équipe couplent des mesures d’amincissement classiques sous gravité, comme avec un film de savon vertical, avec un montage original de centrifugation, qui permet en faisant tourner un film de savon autour de lui-même de générer des forces centrifuges équivalentes à 50 fois la force de la pesanteur.
Parmi les résultats originaux, l'équipe a caractérisé la loi d’amincissement d’un film unique pour des paramètres donnés comme ses dimensions ou la composition de sa solution de molécules tensioactives. Ils ont montré qu’il ne faut pas considérer le film seul, mais également le ménisque qui fait le contact entre le film et les autres bulles de la mousse. C’est par ces ménisques, interconnectés au sein d’une mousse, que les films perdent leur liquide, engendrant un phénomène de ménisque dynamique dont l’épaisseur va s’adapter du fait de l’amincissement des films voisins. Parmi les perspectives, les scientifiques travaillent actuellement sur l’interaction d’un film unique avec un ménisque unique pour observer directement le grossissement du ménisque au cours du temps, et sur la généralisation d’une équation de drainage des mousses prenant en compte ce phénomène, permettant de généraliser l’étude faite à l’échelle locale de la bulle à l'échelle globale de l’assemblage de bulles au sein d’une mousse.
Découvrez le portrait de Christophe Raufaste à l'origine du projet DRAINFILM !
Le Magazine Intervalle
Retrouvez le projet DRAINFILM dans l'article illustré Magazine Intervalle N°2 !