Institut des
NanoSciences de Paris
insp
Accueil > Faits d’actualité > Archives 2011 > Bulles qui glissent (...)
insp
6.jpg

Bulles qui glissent n’amassent pas mousse

Comment coulent les mousses aqueuses ? Cette question intéresse les chercheurs de l’Institut des Nanosciences de Paris (INSP), qui ont mis en évidence** une forte analogie avec les milieux granulaires, et dégagé une loi physique commune, relative à l’écoulement. Une recherche fondamentale dans le domaine de la matière molle, liée à de nombreuses applications industrielles et médicales : extraction de minerais, recyclage de matières plastiques, décontamination nucléaire, vecteurs de médicaments...

L’empilement compact et désordonné d’objets sphériques, comme des grains, gouttes ou bulles, est une structure générique que l’on trouve dans une grande diversité de matériaux divisés, allant des milieux granulaires et suspensions non-colloïdales (poudres, pâtes), jusqu’aux émulsions et mousses aqueuses.

Ces matériaux s’écoulent comme un liquide ou se déforment comme un solide, selon la sollicitation mécanique appliquée. Par exemple, observons un tas de sable sec : lorsqu’on verse du sable au sommet, il s’écoule, puis s’arrête quand l’angle de la pente atteint une valeur critique. Le critère de transition entre les comportements « liquide » et « solide » s’interprète alors comme un rapport critique entre une contrainte de cisaillement qui engendre un écoulement et une pression de confinement qui consolide l’empilement en serrant les grains les uns contre les autres. Ce critère est-il la conséquence du frottement solide entre les grains ? Que devient-il pour un empilement d’objets sphériques sans friction, comme des gouttes ou des bulles ? Les chercheurs de l’équipe « Mécanique multi-échelles des solides faibles » de l’INSP, ont répondu à cette question par l’expérience** illustrée ci-dessous.

Un plan incliné est immergé dans un réservoir de liquide savonneux. Une mousse est fabriquée à l’aide d’un dispositif microfluidique dans lequel, liquide et gaz sont injectés à travers un orifice microscopique. Sous l’effet des forces d’Archimède, la mousse est poussée sous le plan (voir figure 1). Leur expérience montre, qu’à l’instar d’un tas de sable, la mousse ne s’écoule qu’au-delà d’une pente critique, d’environ 5°. Cet angle critique met en évidence une forte analogie entre les comportements mécaniques des mousses et ceux des milieux granulaires dans un empilement compact.

JPEG
Figure 1 : schéma représentant le dispositif expérimental

 

 

JPEG
Figure 2 : données expérimentales : le graphe montre le rapport µ de la contrainte de cisaillement et de la pression de confinement, en fonction du taux de cisaillement adimensionné I. µ* est la valeur critique à la transition entre les comportements liquide et solide. Les points rouges correspondent aux milieux granulaires immergés dévalant sur un plan, les points bleus correspondent aux mousses étudiées avec le plan immergé (voir schéma)

Au-delà de l’angle critique, l’expérience démontre que, sous l’effet de l’écoulement, la couche de mousse incorpore de l’eau et son épaisseur augmente ; un comportement bien connu des milieux granulaires, la dilatance. En outre, l’équipe a établi la loi constitutive, qui relie le rapport des contraintes de cisaillement et de confinement au taux de cisaillement, adimensionné par un temps caractéristique de relaxation de structure, en accord avec un modèle physique. De manière remarquable, cette loi, illustrée sur la figure ci-dessus, ne se distingue que par un facteur numérique de celle qui gouverne l’écoulement des milieux granulaires immergés.

Prochaine étape ? Continuer à explorer la dynamique du processus de relaxation structurale, par des expériences de diffusion de la lumière cohérente en cours à l’INSP.

** Référence publication : R. Lespiat, S. Cohen-Addad, R. Höhler, Physical Review Letters 106, 148302 (2011).