Comment les réarrangements ralentissent dans un empilement lâche de bulles

Lorsque l’on fabrique une mousse, les bulles de gaz montent à la surface tandis que le liquide est drainé. Les bulles forment un empilement dense et se gênent les unes les autres : leur arrangement est bloqué. Puis, comme le gaz contenu dans les bulles est soluble, il traverse les parois liquides, de sorte que les petites bulles se vident progressivement dans les grosses. Ces changements de taille désorganisent l’empilement au cours du vieillissement, et provoquent des réarrangements structuraux intermittents. Des physiciens de l’Institut des Nanosciences de Paris - INSP (CNRS - UPMC) ont mesuré la durée de ces réarrangements et étudié comment elle dépend de la viscosité du liquide, de la taille des bulles et de la pression de confinement de l’empilement. Ils ont montré que plus l’empilement est lâche, plus les réarrangements sont lents. La dynamique des bulles devient alors analogue à celle de grains solides dans une suspension concentrée. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters, contribue à la compréhension quantitative des mécanismes en jeu dans le vieillissement et dans la rhéologie des milieux mous désordonnés (mousses, émulsions, suspensions concentrées, pâtes) utilisés dans de nombreuses applications, comme la production du pétrole ou le traitement des eaux.

Les physiciens ont produit une mousse en injectant des bulles d’azote d’une centaine de micromètres de diamètre dans une solution aqueuse de tensioactifs, additionnée de glycérol afin d’en ajuster la viscosité. Au fur et à mesure de la formation de la mousse, le liquide présent entre les bulles est drainé, et cela d’autant plus que la colonne de mousse est haute. A la base de la colonne, les bulles sont quasi sphériques et peu comprimées. Au sommet, la teneur en liquide est plus faible : les films sont minces et quasi plans et les bulles sont fortement comprimées les unes contre les autres. En variant la hauteur de l’échantillon de quelques millimètres à quelques centimètres, les physiciens contrôlent la pression à sa surface. Les multiples réflexions et réfractions de la lumière sur les interfaces liquide-gaz rendent la mousse opaque, empêchant l’observation directe des réarrangements. Pour pallier cette difficulté, les chercheurs ont éclairé la mousse par un laser et analysé les fluctuations temporelles de la figure d’interférences formée par la lumière rétrodiffusée après une marche aléatoire à travers la mousse. L’analyse des corrélations de fluctuations permet d’identifier les réarrangements individuels et d’en déterminer la durée. Les mesures mettent en évidence que la dynamique de réarrangement dans une mousse où les bulles sont à peine bloquées (quasi-sphériques, donc) est analogue à la dynamique au sein d’une suspension concentrée de grains durs. La durée des réarrangements, de l’ordre de la dizaine de millisecondes, est alors pilotée par la compétition entre la pression de confinement, qui détermine les forces de contact entre bulles, et l’écoulement visqueux dans les canaux liquides. Pour explorer la situation dans laquelle les bulles ne sont pas bloquées, des conditions de microgravité sont nécessaires pour éliminer la poussée d’Archimède qui regroupe et compacte toutes les bulles à la surface du fluide : une expérience analogue est prévue en 2015 sur la Station Spatiale Internationale dans le cadre d’un projet européen (ESA et CNES).

Images successives d’une mousse après une durée t de mûrissement. Initialement ordonnée et quasi monodisperse, elle devient progressivement désordonnée et polydisperse.