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Physique de l’étalement critique

Les filets à brouillard pour la récolte d’eau, le séchage des smart textiles, ou le revêtement des ailes dans l’aéronautique doivent résoudre un problème scientifique important : comprendre comment s’étale une goutte déposée sur une surface.

Si les principes généraux de ce problème sont bien établis (travaux classiques de Tanner), les développements actuels en nano-fluidique posent des questions nouvelles allant au-delà de la description classique par la mécanique des fluides continus. A la petite échelle qui est celle des nanos, les fluctuations de composition et de surface deviennent prédominantes et vont modifier l’image classique du phénomène.

Pour s’attaquer à ce problème, une stratégie prometteuse est de s’intéresser aux fluides quasi-critiques, plus particulièrement aux mélanges biphasiques qui sont homogènes en dessous d’une certaine température, dite température critique, et qui se séparent en deux phases distinctes qui coexistent au-dessus de la température critique. En effet, dans ces systèmes modèles les fluctuations intrinsèques peuvent être amplifiées à volonté au fil de la séparation des constituants du fluide à la traversée du point critique ; par ailleurs, ces phases quasi critiques imitent ou reproduisent une nano-fluidique diphasique idéale. Dans ces milieux, en approchant du point critique dans le sens coexistence=> mélange homogène, la longueur caractéristique est augmentée pour atteindre des régimes sub-micrométriques accessibles aux moyens microscopiques standards.

La thématique centrale de ce travail, réalisé au sein d’une collaboration franco-norvégienne entre le CNRS, l’Université de Bordeaux, l’Université Paris-Cité et l’Université d’Oslo, est donc l’étude de la relaxation hors d’équilibre d’une goutte de mélange critique qui vient mouiller une surface.

Expérimentalement, les auteurs ont utilisé la pression de radiation d’un laser sur une interface liquide-liquide proche du point critique pour produire des gouttes hors d’équilibre. Les propriétés physiques de ces gouttes varient de façon prédictible avec l’écart à la température critique. Le problème hydrodynamique posé par la compétition entre la capillarité, qui est la force motrice de l’étalement, et la viscosité de la goutte, qui freine sa déformation, a été résolu théoriquement et numériquement, ce qui a rendu possible une comparaison quantitative avec les résultats expérimentaux. Après une calibration loin du point critique (panneau (a) de la figure), le comportement proche du point critique a été étudié (panneau (b) de la figure). Ces expériences ont abouti à deux découvertes importantes.

Figure : Etalement d’une goutte de mélange liquide, loin du point critique de mélange (à gauche) et au voisinage du point critique (à droite), le temps progresse du haut vers le bas. La goutte de fluide A est entourée par le fluide B (milieu bi-phasique). Lorsqu’on s’approche du point critique du mélange, les fluctuations de concentrations augmentent, le mélange devient plus homogène (il s’approche d’une phase unique), ce qui explique que l’interface devienne moins nette. La modification des forces capillaire et visqueuse au point critique modifie la physique de l’étalement : la fois sa forme, sa dynamique, et la présence d’un film précurseur du mouillage, présent dans le mélange binaire, absent au point critique.

Premièrement, les données expérimentales démontrent de façon robuste la validité et l’universalité de la loi classique de Tanner pour l’étalement visqueux, malgré le rôle croissant des fluctuations de composition et de la gravité à l’approche du point critique. Par ailleurs, les auteurs ont extrait des données le comportement de l’épaisseur du film précurseur présent en amont de la goutte, en fonction de la température. Ce faisant, ils ont mis en évidence un phénomène particulièrement contre-intuitif : le film précurseur disparaît à l’approche du point critique !

Cette étude publiée dans Nature Communications établit pour la première fois sur des bases solides la dynamique fondamentale et quasi-critique de l’étalement de gouttelettes fluides.

Ce travail a fait l’objet d’une actualité sur le site de l’INP (Institut de Physique) du CNRS, à retrouver ici.

Références Near-critical spreading of droplets R. Saiseau, C. Pedersen, A. Benjana, A. Carlson, U. Delabre, T. Salez, J.-P. Delville Nature Communications, 13, 7442, (2022), à retrouver ici arXiv :2207.13997

Contact

— Jean-Pierre Delville (jean-pierre.delville@u-bordeaux.fr) — Thomas Salez (thomas.salez@cnrs.fr) — Raphael Saiseau (raphael.saiseau@gmail.com)


Contact : Published on / Publié le 2 décembre 2022