Quand le confinement accélère la sédimentation

Des petites particules plus denses qu’un fluide coulent lentement vers le fond, c’est le phénomène de sédimentation. Pour des particules dont la densité est proche de celle du fluide, la poussée d’Archimède compense presque totalement le poids et le mouvement est totalement déterminé par la viscosité qui freine la chute. Ce freinage est d’autant plus important que les particules sont proches les unes des autres ou proches de parois. Pourtant, des physiciens ont observé une sédimentation anormalement rapide dans des tubes capillaires dont le diamètre est à peine 20 fois plus grand que celui des particules en suspension. Pour comprendre ce phénomène inattendu, ces physiciens du Laboratoire de Physique des Solides - LPS (CNRS / Université Paris-Sud), de l’Université de Dresde et de l’Université Tokyo Denki, ont étudié de manière systématique la sédimentation dans des tubes capillaires de différents diamètres. Ils ont mis en évidence un régime dans lequel la diminution du diamètre du tube augmente la vitesse de sédimentation au lieu de la diminuer. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

Pour analyser le phénomène, les chercheurs ont étudié deux systèmes : des sphères de polystyrène de 40 micromètres de diamètre dans du glycérol et de sphères de polymère de 6 mm de diamètre dans de l’eau. Avec le premier système, ils ont effectué des mesures systématiques de vitesse de sédimentation des tubes bien verticaux de rayons inférieurs au millimètre. Lorsque l’on diminue le diamètre du tube, la vitesse de sédimentation diminue puis, à partir d’un diamètre de 800 micromètres (20 fois le diamètre de la sphère), plus les tubes sont étroits, plus la sédimentation est rapide jusqu’à arriver à une vitesse dix fois plus rapide que dans un grand récipient pour un diamètre de 400 micromètres (10 fois le diamètre de la sphère). Afin de comprendre la cause de cette sédimentation anormalement rapide, les chercheurs ont reproduit les expériences en utilisant des sphères de 6 mm de diamètre afin de déterminer la structuration de l’écoulement. Ils ont observé que les particules s’organisent en file indienne, avec des voies qui descendent et d’autres qui montent. Ce phénomène déjà connu pour accélérer la sédimentation le long de la paroi inférieure de tubes inclinés se produit ici dans un tube vertical pour une raison différente : les parois réduisent les fluctuations horizontales de vitesse et favorisent l’organisation des particules. Pour des particules trop petites, ce phénomène n’est pas observé, car le mouvement brownien prend le dessus et désorganise le fluide.

Séquence d’images de sphères de polymères qui sédimentent dans un tube étroit (10 fois le diamètre des sphères). Dans un tube de cette taille la sédimentation est plus rapide que dans un grand récipient parce que les sphères ne sédimentent pas toutes ensemble de façon homogène, mais elles s’organisent en files pour aller plus vite.
© Laboratoire de Physique des Solides