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Posté par Redbran le Lundi 12/03/2018 à 12:00
Quand des gouttes pulsent en dessinant des fleurs
Comment une goutte d'huile évolue-t-elle lorsqu'on la pose sur de l'eau ? Le plus souvent elle s'étale. Elle peut aussi, de par ses propriétés chimiques, modifier ultérieurement la surface de l'eau, adoptant alors des comportements inattendus. Des chimistes du laboratoire des IMRCP(1) (CNRS / UT3 Paul Sabatier) et des hydrodynamiciens de l'IMFT(2) (CNRS / Toulouse INP / UT3 Paul Sabatier) ont découvert et expliqué l'évolution spectaculaire et particulièrement esthétique d'une goutte de dichlorométhane, un solvant très commun, obtenue en ajoutant dans l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et dans la goutte une faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'un même agent tensioactif (Un tensioactif ou agent de surface est un composé qui modifie la tension superficielle entre deux surfaces. Les composés tensioactifs sont des molécules amphiphiles, c'est-à-dire qu'elles...). Les résultats de leur recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...), qui pourraient contribuer à améliorer l'efficacité des techniques de ciblage thérapeutique (La thérapeutique (du grec therapeuein, soigner) est la partie de la médecine qui étudie et applique le traitement des maladies.), sont publiés le 26 février 2018 dans Nature Communications.


La "fleur" en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de dessus. On identifie du centre vers la périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite éloignée d'un objet ou d'une chose.): la goutte-mère (diamètre = 5.5 mm environ), les branches d'étoile (Une étoile est un objet céleste émettant de la lumière de façon autonome, semblable à une énorme boule de plasma comme le Soleil, qui est l'étoile la plus proche de la...) qui bordent le film de dichlorométhane, les rayons de micro-gouttes issus de leurs pointes, enfin l'anneau périphérique de gouttelettes résultant de la désintégration du bourrelet.
©Véronique Pimienta

Carlo Marangoni a établi en 1865 qu'une goutte déposée sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) d'eau s'étale si la tension (La tension est une force d'extension.) de surface entre l'eau et l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air...) excède la somme des tensions de surface goutte/air et goutte/eau. Conformément à ce critère, la goutte de dichlorométhane commence par s'étaler et un film circulaire en expansion se forme autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre...) d'elle. Le dichlorométhane étant très volatil, ce film tend à s'évaporer et un bourrelet se forme à sa périphérie. Des déformations apparaissent progressivement sur ce bourrelet qui finit par se fragmenter, générant un anneau de gouttelettes. L'histoire pourrait s'arrêter après cet événement déjà inhabituel. Mais dans le cas présent, le dichlorométhane dispersé à la surface de l'eau lors du détachement des gouttelettes modifie la capacité d'étalement du système et le film se rétracte.

Fin de l'histoire ? Non ! Le dichlorométhane continuant de s'évaporer et se solubilisant dans l'eau grâce à l'action du tensioactif (bromure de cétyltriméthylammonium), la surface se régénère et les conditions d'étalement se trouvent réinitialisées: tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) est réuni pour permettre à la goutte d'entreprendre des pulsations successives. Et celles-ci s'avèrent d'une amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) et d'une régularité exceptionnelles. Cependant, le dichlorométhane s'évapore toujours et, de manière très reproductible, des branches d'étoile correspondant à des surépaisseurs du film émergent autour de la goutte lorsque le film s'étale pour la quatrième fois.

Une simple péripétie ? Pas du tout... Ces déformations modifient localement la vitesse (On distingue :) de rétraction du film, dont les contours adoptent une forme en zig-zag autour des branches d'étoile. Des lignes de micro-gouttes se forment alors le long de ces branches et se rejoignent à la pointe de chacune d'elles, où elles fusionnent avant d'être éjectées et de former des rayons. Un anneau de gouttelettes, des branches bordées de micro-gouttes et des rayons ? Voilà donc une simple goutte qui se transforme en fleur ! Et d'autres vont suivre lors des pulsations suivantes.

Les mystères de cette évolution ont été percés grâce à un dialogue (Le dialogue est une communication entre deux ou plusieurs personnes ou groupes de personnes. Il doit y avoir au minimum un émetteur et un récepteur. Une donnée émise, c'est le message. Un code, c'est la langue et/ou le jargon. Un...) étroit entre expériences et modèles théoriques. C'est la confrontation des prédictions de ces modèles hydrodynamiques à des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) qui a permis d'écrire les grandes lignes de la genèse de cette fleur insolite. Du chemin reste néanmoins à parcourir pour obtenir un modèle complet et prédictif de ce processus d'auto-organisation (L'auto-organisation est un phénomène de mise en ordre croissant, et allant en sens inverse de l'augmentation de l'entropie; au prix bien entendu d'une dissipation d'énergie qui servira à maintenir cette structure.) remarquable qui couple intimement hydrodynamique, chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des...) et changements de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :).

Ce mode d'éjection des gouttes le long des branches d'étoile rappelle les dispositifs de microfluidique (La microfluidique est la science et la technologie des systèmes manipulant des fluides et dont au moins l'une des dimensions caractéristiques est de l'ordre du micromètre.) dans lesquels des micro-gouttes, qui constituent autant de réacteurs individuels, circulent dans des micro-canaux. Comment dès lors tirer parti de ce processus d'éjection original ? En utilisant la goutte-mère comme un vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à...) destiné à former des assemblages de particules. Ainsi, l'introduction de composés polymères dans la goutte peut trouver des applications pour la vectorisation thérapeutique, en conduisant à la formation d'objets dont la géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et, depuis le...) permettrait une meilleure interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec les tissus à traiter. De même, des dopages judicieux de la goutte en nanoparticules peuvent ouvrir des perspectives pour la conception de nouveaux micro-dispositifs électroniques ou optiques.

Voir:
Zeste de Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour...) "Des gouttes qui pulsent" https://lejournal.cnrs (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).).fr/videos/les-gouttes-qui-pulsent

Note:
(1) Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique
(2) Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un...) de Mécanique des Fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides c'est-à-dire des liquides et des gaz lorsque ceux-ci subissent des forces ou des contraintes. Elle est...) de Toulouse


Références publication:
Florian Wodlei, Julien Sebilleau, Jacques Magnaudet & Véronique Pimienta.
Marangoni-driven flower-like patterning of an evaporating drop spreading on a liquid substrate
Nature Communications - Février 2018
DOI: 10.1038/s41467-018-03201-3

Contact chercheurs:
- Véronique Pimienta, Professeure à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis,...) Toulouse III - Paul Sabatier
Laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique
- Jacques Magnaudet, Directeur de recherche CNRS
Institut de Mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...) des Fluides de Toulouse

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Source: CNRS-INC