Accueil > Français > Actualité

L’effet ouzo, ou la nanosynthèse faite simple


La nature aime la diversité, mais elle sait aussi qu’une population uniforme est bien plus facile à contrôler qu’un ensemble d’individus tous différents. Dans le contexte des émulsions, un phénomène naturel est connu depuis des siècles pour produire spontanément une population uniforme de minuscules gouttelettes : l’effet Ouzo, qui se manifeste quand on verse de l’eau dans un apéritif anisé, tel le pastis. Le mélange : eau, alcool et huile des graines d’anis, donne une population de gouttelettes, toutes à peu près de même taille submicrométrique, sans aucun paramètre à ajuster… dans le nouveau monde de la nanotechnologie, on pourrait parler de synthèse quasi miraculeuse, vu la simplicité et la robustesse du processus ! (qui a déjà raté un pastis ?)

Pour comprendre en détails cet effet spectaculaire, des expériences ont été réalisées à l’ESPCI Paris sur un système modèle, d’odeur moins agréable mais plus facile à contrôler que le pastis : mélange d’eau, d’acétone et d’un polymère soluble dans l’acétone et insoluble dans l’eau ; la cinétique (sur 1 seconde, car l’émulsification va vite) a été suivie par diffusion ultrarapide de rayons-X aux petits angles à l’ESRF Grenoble pour mesurer les rayons des gouttelettes ; des simulations numériques ont été menées au LPS Orsay pour analyser les résultats et étudier les mécanismes.

 

Quel scénario s’est dégagé de ces analyses ?... les gouttelettes se chargent électriquement grâce aux ions hydroxydes HO, et la coalescence doit donc s’arrêter lorsque les charges des gouttes sont trop importantes ; la distribution des rayons devient étroite parce que des gouttes de charges différentes coalescent plus facilement que des gouttes de même charge. Bien. Il fallait ensuite vérifier ces mécanismes, c’est-à-dire ici comparer les évolutions du rayon moyen <r> des gouttes et de leur écart-type σ, à des résultats mathématiques de cinétique incluant la répulsion électrostatique. Assez curieusement (les équations étant compliquées), le résultat exact était connu, trouvé par Dammer et Wolf en 2004. Mais ce résultat prévoyait la proportionnalité entre σ et <r>, ce qui n’était pas compatible avec nos données expérimentales : la largeur des distributions, σ, augmentait dans les expériences beaucoup moins vite que <r>. La conclusion aurait dû être : ou bien il manque quelque ingrédient dans les équations, ou bien le résultat analytique est erroné. En fait la nature, espiègle, avait imaginé une alternative : les équations étaient correctes, de même que le résultat exact, mais il existait une autre solution aux équations…

C’est ici que la simulation numérique de la cinétique de coalescence a été utile. Les résultats expérimentaux ont bien été retrouvés lors de la première seconde de temps physique simulé. Et puis, au-delà, la largeur des distributions augmentait toujours et invariablement comme la racine carrée de <r>, tout comme dans les premiers temps des expériences… Etant naturellement patients, nous avons laissé la simulation se dérouler, et vers un milliard d’années de temps physique, les choses se sont mises à changer : le système s’est alors calé sur la solution exacte de Dammer et Wolf ! Les pièces du puzzle s’étaient mises en place : la solution exacte est mathématiquement correcte, mais ne se manifeste, ici, qu’à des temps incommensurablement longs.
La solution exacte n’était-elle alors qu’une anecdote ? Eh bien, pas vraiment, car elle nous a permis de réaliser que ce changement de lois d’échelle dans l’effet Ouzo, était la manifestation d’un comportement général —la théorie des fluctuations universelles—, et que les rouages de cet effet avaient donc des points communs avec d’autres systèmes, complètement différents. Mais cet aspect nécessitera une autre rubrique pour être développé…

Contacts :
Robert Botet
Roger Kevin
Bernard Cabane

Références :
Coalescence of Repelling Colloidal Droplets : A Route to Monodisperse Populations
R. Kevin, R. Botet and B. Cabane
Langmuir 29, 5689 (2013).

Universal Fluctuations
R. Botet and M. Ploszajczak
World Sci. ed, Singapore (2002).