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Les travaux scientifiques de Dominique Langevin


Trois méthodes originales d’observation des surfaces liquides

Observer un liquide, c’est en particulier examiner les interfaces entre le liquide et l’air. La surface d’un liquide n’est jamais plane. Les molécules du liquide sont animées d’un mouvement incessant, le mouvement brownien ou « thermique ». C’est n’est qu’à la température du zéro absolu que les molécules sont au repos total (hormis les fluctuations quantiques, dites de point zéro). C’est en observant les mouvements de molécules en surface que l’on peut en savoir plus sur la rhéologie des surfaces liquides (viscosité et élasticité), le rôle des produits tensioactifs ou autres molécules absorbées (les polymères).

1) Diffusion de la lumière par les surfaces : un moyen délicat de mesure

Les techniques LASER, constamment affinées par l’équipe de Dominique Langevin, ont permis (technique toujours utilisée depuis) d’étudier les surfaces des liquides et le rôle des produits tensioactifs sur les propriétés des surfaces.
Des mouvements moléculaires indépendants perturbent la planéité de la surface du liquide ou de l’interface de l’eau et d’une huile ; et lui confèrent une certaine rugosité. Il en résulte des phénomènes de déplacements collectifs, des ondes à la surface des liquides comme les vagues à la surface de la mer. Vu du rivage, le scintillement de la crête des vagues correspond à la lumière réfléchie par les zones de la vague dont le bombement est adéquat et la distance entre deux crêtes mesure la longueur d’onde des vagues. Ces « vagues » sont aussi observées à la surface d’un liquide. De la longueur d’onde de la lumière provenant d’une zone donnée, les physiciens peuvent déduire la viscosité et l’élasticité de la surface du liquide et en particulier le rôle et l’effet des surfactants.
Cette technique, si elle convenait parfaitement pour mesurer la tension superficielle, n’était toutefois pas assez précise pour l’étude des propriétés rhéologiques des interfaces (viscosité et élasticité entre l’huile et l’eau).

2) Les ondes électriques comme moyen de mesure

En excitant des ondes électriquement à la surface du liquide, on examine leur propagation en surface. Cependant l’amplitude de ces ondes est bien plus grande que celles qui sont excitées thermiquement, et la détection et les mesures d’élasticité et de viscosité deviennent plus précises.

3) Des gouttelettes comme moyen de mesure

Par un phénomène d’expansion et de rétraction provoqué à l’aide d’un petit moteur, on crée des ondes superficielles de compression sur de très fines gouttelettes, formées au bout d’une seringue. Les mesures de ces mêmes paramètres viscoélastiques deviennent possibles. D’autres méthodes optiques sont actuellement développées au laboratoire par Dominique Langevin pour mesurer l’épaisseur de l’interface (d’une épaisseur moyenne de 2 nanomètres : soit 2 millionièmes de millimètre) : ellipsométrie, réflectivité de rayons X, microscopie à l’angle de Brewster.

Une découverte majeure : les propriétés étonnantes des microémulsions

Chercher à stabiliser une émulsion le plus longtemps possible, comme à faire baisser leur tension superficielle afin d’en améliorer leur pouvoir « détergent », sont des défis scientifiques de première importance. On peut obtenir des émulsions très fines, encore appelées microémulsions, stables indéfiniment dans le temps. Ces émulsions fines ont le pouvoir (en jouant sur la « résistance » de l’interface - la tension superficielle -) de pénétrer dans les milieux poreux. Le pétrole peut ainsi être récupéré au coeur des roches ou des sables. Une des conséquences des travaux de Dominique Langevin a été de trouver l’origine des basses tensions superficielles dans ces systèmes (10 000 à 100 000 fois plus petites que celle de l’interface eau-huile de départ).
Récemment ses études au laboratoire ont porté sur les caractéristiques des solutions contenant des mélanges de tensioactifs et de polymères plus ou moins flexibles, comme les chaînes d’ADN, utiles pour les méthodes de thérapie génique.

Films et mousses :

Les travaux actuels de Dominique Langevin portent sur les mousses et les « films de savon ». Les systèmes étudiés sont des mousses classiques (obtenues à l’aide de tensioactifs), ou encore des mousses de protéines. Le but est de comprendre comment une mousse se déstabilise. Le "drainage" ou disparition du liquide du fait de la gravité joue un rôle important : quand les parois entre bulles atteignent une épaisseur critique, les bulles fusionnent, c’est la coalescence. Pour comprendre le drainage, il a fallu expliquer les nombreuses transitions de régime en fonction des propriétés rhéologiques des surfaces des solutions. Le phénomène de coalescence reste toutefois mal compris. Un autre phénomène qui conduit à l’augmentation de la taille des bulles est le « mûrissement », ou transfert de gaz des petites bulles vers les grosses. Sur terre, il est difficile de séparer le mûrissement du drainage. Des expériences en « microgravité » (vols paraboliques en Airbus, vol en fusée sonde) ont permis la mise au point d’un module d’étude des mousses qui sera installé dans la Station Spatiale Internationale.