La mécanique d'une bulle en armure

Nicolas Taccoen, Laboratoire d'hydrodynamique (LadHyX)

J’adore les mousses, pour leur texture légère, leur onctuosité… mais vous aurez remarqué, elles ont une durée de vie très limitées. Je me prendrais bien un petit cappucino, ou une bonne pinte de Guiness tiens, ou même une coupe de Chantilly ! La mousse du cappucino retombre vite et il faut manger la chantilly rapidement. Pour comprendre la raison de ceci, regardons une mousse d'un peu plus près. Une mousse est une dispersion de bulles d'air dans un liquide. Typiquement pour la chantilly, on disperse dans la crème des bulles d'une cinquantaine de microns, soit l'epaisseur d'un cheveu. Plusieurs phénomènes rendent les mousses instable à long terme.

D'abord, si deux bulles se touchent, elles peuvent fusionner ensemble et former une bulle plus grosse, c'est ce qu'on appelle la coalescence. Pour éviter la coalescence on ajoute au mélange des tensioactifs, molécules connues aussi sous le nom d'émulsifiant dans le domaine alimentaire. Ces molécules viennent tapisser la surface des bulles, et cette fine couche de tensioactif qui enrobe les bulles les empêche de fusionner ensemble lorsqu'elles entrent en contact.

Il reste un autre phénomène plus subtil et qui a lieu même avec des tensioactifs, il s'agit du mûrissement. Le mûrissement est dû au fait que lorsque deux bulles de tailles differentes sont en contact, le gaz de la plus petite bulle va lentement mais sûrement se transférer dans la plus grosse bulle, à travers la couche de tensioactif. Cela veut dire que les grosses bulles grossissent et les petites rétrécissent jusqu'a disparaître, et la mousse tout entière retombe. Il est possible d'éviter ce phénomène en recouvrant les bulles de microparticules, d'environ 1 micron soit cinquante fois plus petit que le diamètre de la bulle qui fait déjà seulement l'épaisseur d'un cheveu. Les particules peuvent s'attacher à la surface des bulles, la recouvrir et, en se serrant les unes contre les autres, former une armure rigide autour de la bulle. Cette armure peut non seulement éviter la coalescence comme les tensioactifs mais aussi complètement bloquer le mûrissement, grâce à sa rigidité qui empêche la bulle de rétrécir. On a alors une mousse qui reste stable très longtemps, jusqu'à plusieurs mois.

Alors comment construire une armure solide qui va effectivement bloquer le mûrissement ? Quelle forme et quel type de particules choisir ? Ma thèse répond à ces questions grâce à des outils développés spécialement au laboratoire. Je peux fabriquer une seule bulle, lui construire une armure en la couvrant de particules, puis faire varier la pression et la compresser plus ou moins fortement, et ainsi voir jusqu'où elle résiste avant de s'effondrer sur elle-même. Toute la beauté de cette approche, c'est qu'en comprenant finement les propriétés d'un objet élémentaire, simple comme la bulle, on peut en tirer des conclusions pour des systèmes plus complexes comme les mousses, pour les rendre plus stables, plus longtemps. 

Alors vous allez me dire, tout ça pour de la chantilly et des Guiness ? Déjà, c'est une bonne raison mais il existe d'autres raisons comme, par exemple, en introduisant des bulles dans un béton on va pouvoir obtenir un matériau solide, léger et moins onéreux. On peut mettre aussi des bulles dans un métal, on obtient ainsi de véritables meringues d'aluminium qui sont très prometteuses pour de nombreux domaines comme l'aérospatiale, où robustesse et légèreté sont primordiales.

 

Nicolas Taccoen est en 2ème année de thèse au laboratoire d'Hydrodynamique (École Polytechnique).

Il étudie "La mécanique d'une bulle en armure".