Des champs électriques pour contrôler la stabilité des mousses

Publié par Adrien le 31/08/2020 à 11:32
Source: CNRS INP
Des physiciennes ont montré qu'il est possible de stabiliser ou déstabiliser des mousses liquides sur commande, grâce à des champs électriques. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour ces mousses aux nombreuses applications industrielles.

Les mousses liquides sont peu coûteuses, légères et isolantes, ce qui les rend utiles dans une large gamme d'applications telles que les cosmétiques, les procédés de dépollution et l'industrie du bâtiment. Cependant, il est difficile de contrôler leur stabilité car divers mécanismes comme le mûrissement (augmentation moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres...) du rayon des bulles) ou le drainage (écoulement du liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) vers le bas par gravité) les détruisent.


Représentation d'une mousse liquide confinée entre deux électrodes.
Gauche: image de la mousse à la paroi.
Droite: champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant du...) observé dans la mousse. © ILM (CNRS/Univ. Lyon 1)

Trois physiciennes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute...) lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) (ILM, CNRS/Univ. Lyon 1) à Lyon ont montré expérimentalement qu'un champ électrique (Dans le cadre de l'électromagnétisme, le champ électrique est un objet physique qui permet de définir et éventuellement de mesurer en tout point de l'espace l'influence exercée à...), en fonction de son intensité et de son orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;), pouvait piloter la stabilité d'une mousse de savon (Le savon est un objet liquide ou solide composé de molécules amphiphiles composées de sels métalliques, spécifiquement d'hydroxyde de sodium ou d'hydroxyde de potassium, et d'acides gras.) usuelle et macroscopique. L'effet est analogue à l'effet électro-osmotique qui permet le passage de liquide à travers une membrane poreuse, par l'intermédiaire d'une force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles « force...) entraînant les ions. Elles ont par ailleurs montré que la déformabilité de la mousse était essentielle dans ce contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) et permettait d'obtenir une efficacité dix fois plus importante qu'attendue. Ce travail est publié dans la revue Physical Review X.

Les chercheuses ont tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord généré des mousses macroscopiques, contenant plus ou moins d'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 avec l'altitude, il est nécessaire de pressuriser les...), avec des rayons de bulles variés [entre 0.5 et 3 mm], et ont appliqué un champ électrique à ce système provoquant un écoulement dans la direction opposée à la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.). En mesurant la conductivité de la mousse au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.), et donc la fraction liquide dans la mousse, elles ont montré que pour un champ modéré, les mousses étaient stabilisées mais qu'au-dessus d'un champ critique, elles étaient asséchées localement et s'effondraient. Les chercheuses ont combiné ces expériences à des mesures de température dans la mousse grâce à une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) infra-rouge. Quand un champ électrique est appliqué, non seulement un échauffement global de la mousse par effet Joule (L'effet Joule est la manifestation thermique de la résistance électrique. Il se produit lors du passage d'un courant électrique dans tous matériaux conducteurs, à l'exception des supraconducteurs qui nécessitent cependant des...) est observé, mais cet échauffement n'est pas le même partout et des différences de température sont relevées dans les zones localement plus humides ou plus sèches.

En combinant ces expériences thermiques et électriques à une analyse des mécanismes mis en jeu, les chercheuses ont montré que ces différences de température vont induire des écoulements dans la mousse et multiplier par dix les phénomènes electro-osmotiques classiques mis en jeu. Malgré ce mécanisme subtil de couplage avec la température, les écoulements sont induits par le champ électrique appliqué. Quand ce dernier est modéré et orienté de façon à contrecarrer la gravité, les écoulements induits équilibrent les effets de la gravité: les mousses ne se drainent plus et deviennent extrêmement stables. Lorsque le champ électrique est plus important (au-delà d'un seuil qui dépend de la taille des bulles entre autres), les écoulements induits par le champ dominent les écoulements gravitaires: le liquide est alors aspiré de bas en haut, la mousse s'assèche et s'effondre.

Au-delà d'une nouvelle méthode pour contrôler la stabilité des mousses, ce travail a également de fortes implications en nanofluidique: alors que les canaux nanofluidiques hétérogènes ont été largement proposés pour permettre le pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance...) ionique, le dessalement (Le dessalement de l'eau (également appelé dessalage ou désalinisation) est un processus qui permet d'obtenir de l'eau douce, (potable ou, plus rarement en raison du coût, utilisable...) et la récupération d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.), personne n'a encore considéré comment des échauffements locaux modifient les mécanismes mis en jeu. Ces nouvelles réponses, non linéaires, peuvent présenter un intérêt majeur pour ces applications émergentes.

Références:
Thermally Enhanced Electro-osmosis to Control Foam Stability.
O. Bonhomme, L. Peng, A.-L. Biance, Physical Review X, le 21 avril 2020.
DOI: 10.1103/PhysRevX.10.021015
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