Comment les fluctuations thermiques déterminent la brisure de nanojets liquides en nanogouttes

A notre échelle, la rupture en gouttes d’un filet de fluide qui s’écoule dépend de paramètres tels que la viscosité, la tension de surface, ou encore des effets d’inertie. De nouveaux effets apparaissent lorsque le diamètre du filet fluide devient comparable aux rugosités de surface dues à l’agitation thermique. Ce régime est difficile à atteindre car les rugosités thermiques des fluides habituels sont de taille nanométrique. Plutôt que de réduire le diamètre du jet jusqu’à cette échelle, des physiciens du Laboratoire Ondes et Matière d’Aquitaine - LOMA (CNRS - Univ. Bordeaux 1) ont augmenté la taille caractéristique des fluctuations thermiques en utilisant des fluides dans le régime critique, ce qui leur a permis d’observer et d’étudier ces effets sur des jets de diamètre micrométrique. Ils ont notamment déterminé l’existence d’un régime particulier pour lequel toutes les gouttes ont la même taille, alors qu’en général, ce sont plutôt deux tailles de gouttes qui sont observées. Ces résultats sont publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Ce travail permet d’envisager un meilleur contrôle des systèmes mettant en jeu des fluides à l’échelle nanométrique, comme les nanogouttes des imprimantes à jet d’encre, les écoulements dans les nanotubes ou encore le recuit de nano-fils.

Pour ce travail, les physiciens ont utilisé un mélange de quatre fluides (eau, huile, surfactant, cosurfactant) miscibles pour des températures inférieures à 35°C, et se séparant en deux phases distinctes au dessus de cette température. A proximité de cette température critique, l’interface entre les deux phases présente des fluctuations de grande amplitude. A l’aide des forces exercées sur le fluide par un faisceau laser, les chercheurs ont formé et stabilisé un filet de diamètre micrométrique de l’une des phases à l’intérieur de la seconde. Puis, après avoir éteint le faisceau laser, ils ont laissé le filet se déstabiliser et ils ont mesuré la dynamique de rupture de ce dernier et la taille des gouttes formées. Ils ont notamment observé des morphologies de pincements symétriques dont la particularité est de produire des gouttes de même taille.

Filets liquides avant et après rupture pour des rugosités de surface croissantes. On notera l’accroissement de cette rugosité de surface traduite par le fait que le filet devient de plus en plus flou et épais. a) La brisure du filet de gauche produit des grosses gouttes intercalées par des gouttes plus petites appelées satellites ; on notera la présence d’un ou deux satellites. b) Filet plus rugueux que le précédent et réduction du nombre de satellites. c) Filet très rugueux et absence de satellite dans ce régime pour lequel les fluctuations thermiques sont importantes. La barre représente 20 µm.