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Comment empêcher les grosses bulles de manger les petites ?


Mélangeons 1% de liquide et 99% d’air et nous obtenons une mousse, matériau complexe qui a des propriétés complètement différentes des deux composants principaux qui la composent. Il s’agit d’un assemblage de bulles d’air entourées de liquide dont les propriétés mécaniques et isolantes sont utilisées dans nombre d’applications industrielles depuis l’agroalimentaire et les cosmétiques jusqu’à la lutte contre les incendies. Un des enjeux de l’utilisation des mousses est le contrôle de leur stabilité dans le temps.

Un des mécanismes de vieillissement des mousses, appelé le mûrissement, est dû à la différence de pression entre les bulles. En effet, en moyenne, les bulles les plus petites contiennent un gaz à pression plus importante que les plus grandes, ce qui fait que les petites bulles ont tendance à se vider dans les grandes. Au cours des quinze dernières années, les chercheurs ont beaucoup étudié les mousses de Pickering dans lesquelles les bulles sont stabilisées par des particules solides au lieu de molécules de savon. Ces mousses sont connues pour avoir une très bonne stabilité et pour bien résister au mûrissement mais les mécanismes sous-jacents sont encore très mal connus.

L’équipe Matière Molle aux Interfaces du LPS a mis en place une expérience modèle pour essayer de mieux comprendre ces mécanismes. Il s’agit de deux seringues immergées dans une solution stabilisante et permettant de créer deux bulles (voire la figure). Au moment voulu, ces deux bulles peuvent être mises en contact par l’intermédiaire d’un tuyau. La surpression à l’interieur de la bulle est donnée par la pression de Laplace P = 2 γ / R est la tension de surface et R le rayon de la bulle. La petite bulle qui contient du gaz à la pression la plus importante se vide alors rapidement dans la grande.

(Gauche) Dispositif. (Droite) Photographie des deux bulles avant d’être mises en contact (état initial) et quand le mûrissement s’est arrêté (état final).

Nous avons utilisé, comme solution stabilisante un mélange de particules de silice et de tensioactifs de charge opposées. Les tensioactifs s’adsorbent sur les particules et les rendent partiellement hydrophobes. Les particules ont ainsi tendance à s’adsorber à l’interface liquide/air. Par contre, elles ne se désorbent que très difficilement. La conséquence directe est que lorsque la petite bulle diminue de taille parce qu’elle commence à se vider dans la grande, les particules se concentrent à la surface et la tension de surface diminue. Ce phénomène est quantifié par une grandeur appelée l’élasticité de surface. La pression diminue donc et on finit par atteindre un équilibre entre la pression dans la grande et dans la petite bulle. On peut ainsi arrêter complètement le mûrissement (voire la figure). En collaboration avec Cyprien Gay, au laboratoire MSC, nous avons montré que des critères quantitatifs sur l’élasticité de surface permettent de prédire l’arrêt du mûrissement en fonction de la taille initiale des deux bulles.

Référence :

Arresting bubble coarsening : A two-bubble experiment to investigate grain growth in the presence of surface elasticity
A. Salonen, C. Gay, A. Maestro, W. Drenckhan and E. Rio
EPL 116, 46005 (2016), doi:10.1209/0295-5075/116/46005.

Contact :

Emmanuelle Rio