Mesurer les fluctuations thermiques d'une bulle d'air

Publié par Adrien le 02/07/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
Grâce à un microscope à force atomique utilisé comme un microlevier, des chercheurs ont réalisé pour la première fois une mesure directe des fluctuations thermiques à l'interface d'une bulle d'air et de l'eau.

Les molécules à la frontière (Une frontière est une ligne imaginaire séparant deux territoires, en particulier deux...) entre deux fluides (interface) sont soumises à des forces différentes de celles existant au sein de chaque fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...). Elles agissent de manière à minimiser l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) et donnent naissance à la tension superficielle (À la surface d'un milieu dense (liquide ou solide) ou à l'interface entre deux milieux...), qui correspond au coût énergétique pour maintenir la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) des deux fluides. Ces interfaces subissent des fluctuations thermiques qui sont à l'origine d'une très faible rugosité. Ces fluctuations génèrent en effet des vibrations capillaires thermiques: des modes de vibration de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface...) qui correspondent aux fréquences de résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) de l'interface, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) comme il y a des fréquences de résonance pour un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) dans une cavité. Jusqu'à présent, ces ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) thermiques n'avaient été observées que par des méthodes optiques, sans calibration: les amplitudes, de l'ordre du nanomètre, n'étaient pas mesurées directement.


A gauche, dispositif expérimental: le microlevier du microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope...) suit la trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) de l'interface air-eau sculptée par les ondes thermiques.
A droite, densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) spectrale en fonction de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) des ondes thermiques montrant cinq résonances.
© A. Maali, LOMA.

Dans cette étude réalisée au Laboratoire Ondes et Matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) d'Aquitaine (LOMA, CNRS/Univ. Bordeaux), les chercheurs ont utilisé le micro-levier d'un microscope à force atomique (AFM) pour enregistrer les vibrations capillaires thermiques d'une bulle d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et...) hémisphérique déposée sur une paroi solide dans de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les...). Les mesures montrent que le spectre des fluctuations nanométriques de la bulle présente des pics de résonances à des fréquences spécifiques pour lesquelles le mouvement de l'interface est beaucoup plus important que pour les autres fréquences.

Les valeurs de ces fréquences de résonance correspondent parfaitement à l'expression théorique où la ligne de contact de l'interface air/eau ne glisse pas sur la paroi. L'analyse de la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de ces pics permet de mesurer la viscosité de surface de l'interface air/eau. Ces expériences ont montré que des quantités minimes d'impuretés sont responsables de la modification de la rhéologie de la surface air/eau. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives en rhéologie interfaciale avec, en particulier, la possibilité de mesurer la viscosité intrinsèque des interfaces fluides Ils sont publiés dans Physical Review Letters.

Référence:
Near-Field Probe of Thermal Fluctuations of a Hemispherical Bubble Surface.
Z. Zhang, Y. Wang, Y. Amarouchene, R. Boisgard, H. Kellay, A. Würger et A. Maali, Physical Review Letters, Publié le 30 avril 2021.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.174503
Article disponible sur la base d'archives ouvertes hal
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.018 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique