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L’eau pure mousse-t’elle en microgravité ?


Les mousses liquides sont omniprésentes dans la vie de tous les jours, mais on contrôle encore mal leurs propriétés. Sur Terre, le liquide de la mousse draine rapidement du fait de la gravité, ce qui conduit à la rupture des films liquides entre les bulles. Plusieurs questions se posent : les mousses liquides sont-elles plus stables en conditions de microgravité ? Les liquides purs, tels que l’eau, peuvent-ils former des mousses stables en microgravité alors qu’ils ne le font pas sur Terre ? Afin de répondre à ces questions, nous avons effectué des expériences à la fois dans des vols paraboliques et dans la Station Spatiale Internationale.

Les mousses liquides sont constituées de bulles de gaz dispersées dans un liquide et stabilisées par des tensioactifs, des polymères, des protéines ou encore des particules. Malgré leurs nombreuses applications, on comprend encore mal leurs propriétés. Leur stabilité même reste mystérieuse : la simple question « pourquoi une bulle de savon éclate ? » n’a toujours pas d’explication claire. La fabrication et la manipulation des mousses dans des procédés industriels relève donc toujours d’un certain empirisme.

Obtenir des mousses stables avec de grandes fractions liquides (φ > 20%) sur Terre est impossible en raison du drainage du liquide entre les bulles dû à la gravité. Ceci empêche l’étude de mousses très humides, formées au début de leur vie, une étape importante dans les procédés de moussage. En outre, les mousses humides présentent une transition particulièrement intéressante lorsque les bulles viennent au contact, tout en restant sphériques. Pour les mousses désordonnés cette transition, dite de « jamming », se produit à une fraction liquide φ*= 36%. Si φ est plus petit, les bulles sont déformées en polyèdres et la mousse se comporte comme un solide mou : si φ est plus grand, elle se comporte comme un liquide visqueux. On trouve des transitions similaires avec d’autres assemblées d’objets répartis de façon aléatoire, comme le sable, les argiles, les émulsions, etc. Elles font actuellement l’objet de beaucoup d’intérêt.

 


Mousses d’eau pure en microgravité réalisées avec un rapport volumique liquide /air de 30% ; Gauche : ISS (une bille est agitée à la main dans un cylindre contenant à la fois l’air et l’eau). Milieu : PFC (l’eau et l’air sont déplacés alternativement à travers une constriction entre deux seringues). Droite : PFC, « mighty whipper » (disque poreux oscillant dans un cylindre contenant l’air et l’eau). Avec le système bille-cylindre, on ne peut pas incorporer beaucoup d’air dans l’eau du fait de la faible énergie de mélange. Le « mighty whipper » est le dispositif le plus efficace.

 

Des expériences ont été réalisées lors de campagnes de vols paraboliques (PFC) qui simulent la microgravité pendant 20 s, et par des astronautes dans l’ISS. Tout d’abord, les solutions qui moussent difficilement sur Terre, moussent également difficilement en microgravité, l’eau ne fait pas exception. De façon plus surprenante, alors que les mousses avec φ>φ* sont stables, il n’est pas possible d’obtenir une mousse d’eau avec φ<φ*. Seul le dispositif de mélange le plus efficace (« mighty whipper ») a produit des mousses proches de φ*, mais jamais avec des φ plus petits.

Nous proposons l’explication suivante : quand φ<φ*, les bulles sont déformées et des films apparaissent. En dépit de l’absence de gravité, ces films drainent en raison de la succion capillaire dans les bords des films. L’amincissement de films d’eau pure est extrêmement rapide et les bulles fusionnent une fraction de seconde après avoir été en contact. Les mousses d’eau pure avec des bulles de forme polyédrique sont donc très instables, même en microgravité. En revanche, les mousses d’eau avec des bulles sphériques sont très stables, car les bulles ne se déplacent pas et ne viennent jamais en contact.

 

Contacts :
Dominique Langevin
Emmanuelle Rio
Anniina Salonen

Référence :
Does water foam exist in microgravity ?
H. Caps, G. Delon, N. Vandewalle, R. M. Guillermic, O. Pitois, A.-L. Biance, L. Saulnier, P. Yazhgur, E. Rio, A. Salonen, D. Langevin
Europhysics News 45, 22–25 (2014).