Quand mélanger fait mousser

Publié par Adrien le 24/10/2020 à 09:00
Source: CNRS INC

@ Hoai-Phuong TRAN
L'écume c'est joli, mais la formation de cette mousse passagère à la surface de certains mélanges de liquides agités peut s'avérer très problématique pour leur écoulement et leurs propriétés. C'est le cas notamment des lubrifiants pour moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou travail.[réf. nécessaire]) de voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en...) électriques ou de certaines huiles utilisées dans l'industrie agroalimentaire. Bien que ce phénomène de moussage soit connu, aucune explication claire ni d'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises,...) pour contrôler son apparition n'ont jamais été donnés. Des chercheurs du PIC (Total/CRNS/Sorbonne Université/ESPCI) ont récemment trouvé l'origine de cet effet. Leurs travaux, publiés dans Physical Review Letters, permettent d'entrevoir des solutions pour contrôler le moussage et les problèmes d'écoulement et de lubrification dans de nombreux mélanges d'hydrocarbures.

On entend par écume la formation d'une mousse transitoire à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) agité. La mer (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) nous en donne de très beaux exemples, notamment au printemps (Le printemps (du latin primus, premier, et tempus, temps, cette saison marquant autrefois le début de l'année) est l'une des quatre saisons des zones tempérées, précédant...) lorsque les protéines organiques dues à la décomposition (En biologie, la décomposition est le processus par lequel des corps organisés, qu'ils soient d'origine animale ou végétale dès l'instant qu'ils sont privés de...) du plancton (Homère désignait les animaux errant à la surface des flots par plankton, du grec ancien πλαγκτός / planktós ou...) sont très présentes. L'ébullition (L’ébullition est la formation de bulles lors d’un changement violent d’un corps de l’état liquide vers l’état vapeur. Ce...) d'un liquide sucré, comme la confiture, s'accompagne également d'une formation d'écume plus ou moins épaisse et durable liée à la cristallinité du sucre (Ce que l'on nomme habituellement le sucre est, dès 1406, une "substance de saveur douce extraite de la canne à sucre" (Chrétien de Troyes, Le Chevalier au lion). Il est majoritairement formé d'un composé...). Bien que le phénomène soit tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) autre et beaucoup moins bien compris, une couche d'écume peut aussi apparaître de façon imprévisible lorsqu'on agite un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi...) de liquides pourtant miscibles.

Un exemple très problématique est le moussage des mélanges d'huiles lubrifiantes utilisées dans les boites de vitesses des moteurs de voitures électriques. Comme on peut s'y attendre, une huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se mélangent pas à...) pure même secouée ne mousse pas. Dans ce cas, en effet, les films liquides formés entre les bulles 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 cabines des...) s'amincissent et se rompent si rapidement qu'on ne peut observer les bulles à l'oeil nu. En revanche, ce phénomène est considérablement ralenti dans certains mélanges de liquides pour lesquels on peut observer la formation d'écume. Des scientifiques du Laboratoire Commun PIC (Total/CNRS/Sorbonne Université/ESPCI) ont étudié ce phénomène et en donnent une explication quantitative à partir de mesures expérimentales et modélisation de la tension (La tension est une force d'extension.) de surface de ces mélanges en fonction de la concentration.

Un premier constat important est que les concentrations de chaque liquide du mélange sont très légèrement différentes entre le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et la surface malgré leur miscibilité. Qui plus est, lorsque la tension de surface du mélange varie de façon non linéaire en fonction de la concentration d'une des deux liquides, le mélange aura tendance à mousser. Les chercheurs en déduisent un comportement de type "tensio-actif" du liquide à la plus faible tension de surface qui stabilise la formation de mousse transitoire sous agitation (L’agitation est l'opération qui consiste à mélanger une phase ou plusieurs pour rendre une ou plusieurs de ces caractéristiques...). Ces travaux, publiés dans Physical Review Letters, apportent un éclairage dans le domaine des écoulements de fluides complexes et devraient permettre d'améliorer les lubrifiants pour moteurs, l'écoulements du pétrole (Le pétrole est une roche liquide carbonée, ou huile minérale. L'exploitation de cette énergie fossile est l’un des piliers de l’économie industrielle contemporaine, car le...) dans les pipelines ou encore certaines transformations de l'industrie agro-alimentaire.

Quand mélanger fait mousser

Référence:
H.-P. Tran, M. Arangalage, L. Jørgensen, N. Passade-Boupat, F. Lequeux, and L. Talini,
Understanding Frothing of Liquid Mixtures: A Surfactantlike Effect at the Origin of Enhanced Liquid Film Lifetimes,
Phys. Rev. Lett, 21 Octobre 2020.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.178002
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