Bulles et gouttes, la physique avec des matériaux mous, Wiebke Drenckhan et Emmanuelle Rio Jeudi 11 février 2010, Laboratoire de Physique des Solides

Le 11 Février 2010, le Jeudi de la recherche s’est déroulé au sein du Laboratoire de Physique des Solides. Emmanuelle Rio et Wiebke Drenckhan nous ont accueillis dans une salle de conférence du laboratoire, qui était pour l’occasion envahie de bulles de savon increvables ! Elles nous ont donné un aperçu du travail effectué par l’équipe des Interfaces Liquides dirigée par Dominique Langevin. Nous avons en particulier exploré l’univers des bulles et des mousses.

L’équipe du LPS étudie la matière molle, en particulier les mousses et les émulsions. Une émulsion est composée de deux substances non miscibles, c’est-à-dire qui ne se mélangent pas en conditions normales. Une des deux substances est retrouvée sous forme de petites gouttelettes dans la deuxième. Une mousse est une émulsion particulière dans laquelle les gouttelettes sont des bulles d’air dispersées dans un liquide (mousse liquide) ou dans un solide (mousse solide).

L’objet d’étude de l’équipe porte principalement sur le contrôle de la stabilité et des propriétés mécaniques de la mousse. La mousse peut en effet avoir différentes consistances, différentes duretés, être liquide (la mousse de savon) ou solide (la mousse expansée qu’on utilise dans les sièges des voitures, les ballons en mousse, les oreillers à mémoire de forme…). Pour cela, il faut s’intéresser aux constituants des parois des bulles – les « films » - qui composent la mousse. Dans ces films, on trouve tout un univers de molécules, les tensio-actifs : de petites molécules comme celles que l’on trouve dans le savon, les shampoings, les lessives… mais aussi des protéines (par exemple pour les blancs en neige), des polymères (très longues molécules), et même des particules de silice. En modifiant la nature et le nombre de ces constituants, on peut jouer sur la stabilité de ces bulles et donc de la mousse qu’elles forment.

Pourquoi faire des bulles ? D’une part parce qu’elles sont magnifiques ! Tout le monde connaît la bulle classique, ronde et transparente, mais comme pour tous les objets de la nature, les films font preuve en réalité d’un nombre infini de couleurs et de formes différentes ! D’autre part, on retrouve les bulles dans les produits de la vie de tous les jours : les produits d’entretien, les cosmétiques, et une multitude de produits agro-alimentaires. Ces produits sous forme de mousse sont utiles au quotidien, et les exemples sont nombreux : détergents, mousse anti-incendie, produits alimentaires (bières, champagne, mousse au chocolat…). Une meilleure compréhension des constituants et de l’organisation des bulles au sein des mousses permet de mieux contrôler les propriétés de ces produits.

Des bulles de toutes les couleurs…

© Wikimedia Commons

Wiebke Drenckhan nous fait la démonstration d’une manipulation que nous avons tous réalisée un jour : après avoir ajouté quelques gouttes de liquide vaisselle dans un récipient contenant de l’eau, le fait de secouer la bouteille produit de la mousse, tout simplement ! Nous l’avons tous observé, les bulles de savon présentent des reflets colorés traçant de véritables arcs-en-ciel sphériques. Ces couleurs naissent des interférences des rayons lumineux réfléchis par la paroi des bulles. Certaines ondes lumineuses sont réfléchies sur la face avant du film, d’autres sur la face arrière. Selon la longueur d’onde (la couleur) et l’épaisseur du film, cela donne lieu à des interférences « constructives » (la couleur est visible) ou destructives (la couleur disparaît). Au-delà de l’aspect esthétique, les variations de couleur d’une bulle apportent des informations précieuses aux chercheurs. En effet, les couleurs de la bulle dépendent de l’épaisseur et de la composition du film. On peut donc déterminer l’épaisseur d’une bulle en étudiant sa couleur.

D’autre part, les expériences en laboratoire indiquent que lorsqu’on ajoute des molécules tensio-actives à la surface du film, on modifie sa couleur, ce qui donne le plus souvent un aspect bigarré. Les chercheurs parlent alors en s’amusant d’un « pizza film ». Les tensio-actifs sont des molécules schizophrènes : ils sont constitués d’une tête dite polaire ou hydrophile, qui aime l’eau, et d’une queue hydrophobe, qui déteste l’eau (et aime l’huile ou l’air). Ces molécules sont donc dites amphiphiles (du grec phil : aimer et amphi : les 2). Au sein du film, les tensio-actifs s’organisent avec la queue dans l’air et la tête dans l’eau. Hors, ces molécules ne sont pas fixes au sein du film : elles bougent en réalité continuellement. Ce mouvement est créé par une force appelée gradient de concentration : les molécules se dirigent toujours vers la zone du film qui en contient le moins. Les gradients de concentration modifient les propriétés mécaniques et le taux d’interférences des rayons lumineux.

… et de toutes les formes !

Différentes formes de bulles
© LPS

Les bulles à l’intérieur d’une mousse peuvent prendre un nombre de formes très important. Afin de faciliter la reproductibilité des expériences réalisées sur les bulles, les chercheurs préfèrent utiliser des mousses « plates ». Elles sont réalisées très simplement, en plaquant à l’aide d’une vitre en verre une mousse contre son support. Il devient ainsi possible d’observer quelles formes prennent les films formant les bulles afin de structurer la mousse.

Manipulation : si on place un fil en forme de cercle dans de l’eau contenant du liquide vaisselle, on obtient un film circulaire plat. Mais si on répète l’expérience en tordant le fil, on obtient un film qui ne suit plus la forme de son support : il prend une forme de selle.
La forme du film n’est immédiatement déductible de la forme du support, mais elle répond à d’autres exigences, dont la principale est appelée « principe de la surface minimale ». Le film a ainsi une tendance naturelle à occuper une surface la plus faible possible. Ceci se traduit par la tension de surface, qui va modifier la surface du film afin de tendre vers la surface minimale. Le mécanisme est simple : les molécules d’eau interagissent plus favorablement avec d’autres molécules d’eau qu’avec l’air. Par conséquent, les molécules d’eau à la surface du film sont dans un état moins favorable que celles plus en profondeur. Les molécules de surface vont donc avoir tendance à entrer en profondeur, réduisant d’autant la surface du film.

Cette tension de surface est visualisable par une expérience simple : un cadre rectangulaire avec une barre de verre au milieu définissant deux compartiments, gauche et droit, est plongé dans une solution d’eau contenant du liquide vaisselle, ce qui forme un film. Si on perce le film d’un côté, la barre va se déplacer toute seule vers le côté du film restant. Ceci est dû à la tension du film gauche qui n’est plus compensée par celle du film droit.

Films sur un support tétraédrique
© LPS

Pour une bulle isolée, la tension de surface impose la forme permettant la surface minimale : la sphère. Lorsque l’on trempe un tétraèdre dans du savon, les films s’organisent afin d’obtenir une surface minimale qui ne correspond pas à recouvrir les faces.

Les surfaces minimales ont plusieurs applications industrielles et architecturales. Elles permettent en effet de maximiser la portance de volumes étendus tout en limitant la lourdeur des structures, comme pour l’Olympia Stadion de Munich.

Stade olympique de Munich
© Wikimedia Commons

Le problème de la mousse : elle se dégrade !

Si on filme une mousse durant plusieurs heures, on observe son « vieillissement » : les bulles la composant fusionnent, augmentant ainsi leur taille. Ce phénomène est visualisable par une expérience simple : si on relie deux bulles, une petite et une grande, par un tuyau muni d’un robinet et que l’on ouvre celui-ci, la petite bulle se vide dans la grande ! Ce phénomène s’explique par la pression plus importante dans la petite bulle : on parle de la pression de Laplace, qui est due à la courbure des parois de la bulle. La petite bulle a des parois plus courbes, donc une pression plus élevée que celle de la grande bulle. Lorsque l’on ouvre le robinet, les pressions s’équilibrent.

Par conséquent, au sein d’une mousse, les petites bulles vont petit à petit se vider dans les grosses par diffusion de l’air à travers le film, entraînant une dégradation des propriétés mécaniques de la mousse. On peut ralentir ce phénomène en remplaçant l’air par de l’azote par exemple qui diffuse moins bien. Ainsi, dans la Guinness irlandaise cette technique permet une meilleure conservation de la mousse et donc des propriétés gustatives du breuvage !

Au laboratoire, on cherche à produire des mousses qui ne vieillissent pas. Le principe repose sur la création de mousses dite monodisperses, avec les bulles de la même taille. Les scientifiques disposent de machines permettant de créer des bulles de diamètre contrôlé. Machine à bulles dont on nous fait la démonstration. Le principe repose sur un dispositif en forme de T, composé de deux entrées de liquide croisant à angle droit une entrée d’air. Le liquide permet ainsi de couper l’air en petite unités : les bulles ! En faisant varier la pression de sortie de l’air et du liquide, on peut contrôler la taille et le nombre des bulles produites.

Machine à faire des bulles calibrées
© LPS

On récupère ainsi les bulles dans une boite de pétri, où elles vont spontanément s’organiser en couche. Néanmoins, cette organisation dépend de paramètres particuliers, comme par exemple le taux d’humidité. Celui-ci modifie en effet l’empilement des bulles et donc l’organisation interne de la mousse.

Depuis de nombreux siècles, la question de l’organisation spatiale des bulles au sein d’une mousse est restée un mystère. L’astronome allemand Johannes Kepler (1571-1630) s’est penché sur le problème général de l’empilement de sphères le plus dense possible à l’aide d’oranges : comment empiler le plus d’oranges possibles dans un carton ? Il a ainsi déterminé que l’organisation « idéale » était un tétraèdre (c’est-à-dire une pyramide). C’est ainsi la construction préférée des vendeurs d’oranges ! Petite parenthèse : il aura fallu attendre presque 500 ans pour que cette hypothèse soit démontrée mathématiquement par Thomas Hales. Dans une mousse dite « humide » (beaucoup de liquide et « peu » de bulles), les bulles gardent leur forme sphérique. Par contre, lorsque la fraction de liquide diminue, les bulles se touchent et leur paroi peut se déformer.

Structure de Kelvin et de Weaire-Phelan
© LPS

En 1887, Kelvin s’est intéressé à la structure optimale d’une mousse permettant de minimiser la surface des bulles : il a proposé une structure composés d’octaèdres tronqués tous identiques. Cette structure de Kelvin a été optimisée un siècle plus tard par Weaire et Phelan en 1994 : elle est composée par un tétrakaïdécahèdre (14 faces) et trois dodécaèdres (12 faces). Le gain entre les deux structures n’est que 0,3% ! Le problème est en effet complexe, la structure idéale devant théoriquement comporter 5,1 côtés !

La structure de Weaire-Phelan a été testée grandeur nature en 2008 lors des Jeux Olympiques de Beijing : l’architecture de la piscine est organisée selon cette structure. L’effet est saisissant ! Mais par contre les chercheurs qui étudient les mousses ne l’ont encore jamais observée.

Piscine olympique de Beijing
© Wikimedia commons

Que faire avec les mousses monodisperses ?

De nombreuses applications découleront des recherches poursuivies sur les mousses monodisperses. Les industriels font de plus en plus appel au savoir-faire des chercheurs en amont pour mieux comprendre et améliorer leurs procédés. Du coussin à mémoire de forme aux emballages absorbant les chocs, les champs d’application de la recherche et des collaborations de l’équipe sont multiples et prometteurs.