Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Travail de thèse de Tommy Dessup.

Parallèlement à des études théoriques et des simulations, nous avons mené quelques expériences permettant de vérifier les résultats obtenus pour des systèmes physiques réels, ayant notamment des particules de taille finie. Nous présentons ici le montage expérimental utilisé et les améliorations que nous y avons apporté pour pouvoir contrôler la valeur du potentiel de confinement.

Le dispositif expérimental décrit est un système macroscopique bidimensionnel de billes métalliques millimétriques en interaction électrostatique soumises à une agitation mécanique. Ce dispositif expérimental permet de faire varier l’intensité des interactions entre particules simplement en modifiant leur charge électrique et de contrôler l’amplitude de l’agitation mécanique jouant le rôle du bain thermique, afin de contrôler la température effective du système. De plus la taille macroscopique des billes permet une observation optique directe du mouvement des particules.

Principe de l’expérience

Ce montage a été mis initialement au point et caractérisé par Gwennou Coupier, puis a été adapté à l’étude de la "Single File Diffusion" par Jean Baptiste Delfau pour leurs thèses. Nous allons montrer ici comment nous avons modifié la méthode de confinement des particules pour faire varier l’intensité du confinement transverse.

La figure ci-jointe correspond à un schéma du dispositif expérimental. Le système est composé de billes en acier monodisperses, de 0.40 mm de rayon et de masse 2.15 mg, placées au contact de l’électrode inférieure d’un condensateur.

Nous utilisons un "wafer" poli de silicium dopé comme électrode inférieure. Ce matériau permet que la transmission de l’agitation mécanique aux particules et offre un frottement solide entre l’électrode et les billes pas trop important. Enfin l’électrode est suffisamment dure pour que sa surface ne soit pas endommagée par le mouvement des particules.

Dans le montage initial un cadre de matériau conducteur (en laiton) est posé en contact électrique avec l’électrode inférieure afin d’assurer le confinement latéral des billes au sein du condensateur. Il est isolé électriquement de l’électrode supérieure par un fin film de Mylar. L’épaisseur du cadre en laiton et de la feuille de Mylar définit l’épaisseur du condensateur dans lequel les particules se déplacent.

Dispositif expérimental

Afin de permettre une visualisation du système par le dessus, nous utilisons comme électrode supérieure des plaques de verre d’épaisseur 1.1 mm dont la face inférieure est recouverte d’une très fine couche d’un alliage métallique, ce qui la rend conductrice sans affecter sa transparence.

La méthode que nous avons développée isole électriquement certaines zones de cette électrode supérieure en enlevant localement l’alliage métallique par des techniques de gravures. On peut ainsi appliquer localement des potentiels différents de manière à créer des canaux de confinement et des "courants" pour les particules.

L’ensemble du condensateur repose sur une plaque isolante (en Plexiglas) fixée à la membrane de deux haut-parleurs. Les haut-parleurs sont alimentés par deux bruits blancs indépendants, dont la fréquence est comprise entre 0 et 200 Hz et dont l’amplitude est ajustable. Les vibrations des membranes sont transmises aux billes contenues dans le condensateur.

Remplissage de la cellule

Nous avons donc développé une méthode de confinement avec pour objectif de pouvoir varier le confinement de la chaîne de particules tout en gardant inchangée l’interaction entre particules. Pour cela nous réalisons un confinement électrostatique en venant simplement graver sur l’électrode supérieure la forme annulaire du canal souhaité afin de pouvoir appliquer un confinement différent à l’intérieur du canal et à l’extérieur de celui-ci.

De plus afin de contrôler précisément l’injection des particules, nous avons gravé deux autres zones distinctes, correspondant à un réservoir et à un canal d’acheminement. En appliquant des potentiels différents adaptés à chacune de ces zones, on exerce une force sur les particules qui induit un courant acheminant les particules du réservoir à l’anneau de confinement. Les particules se déplacent ainsi des potentiels appliqués plus faibles vers les plus élevés comme le montre la vidéo ci-contre [cliquez-sur l’image pour lancer la vidéo].

Remplissage de l’anneau (cliquer pour lancer la vidéo)

Évolution du confinement

Une fois que les billes se trouvent à l’intérieur de l’anneau, nous pouvons faire évoluer le confinement en modifiant le potentiel appliqué à l’extérieur de l’anneau. On trouve alors que le confinement de la chaîne de particules diminue avec l’augmentation du potentiel appliqué sur la zone entourant l’anneau. La seconde vidéo ci-jointe [cliquez-sur l’image pour lancer la vidéo] montre l’évolution de la structure de la chaîne de billes lorsque le potentiel extérieur augmente. Il est important de remarquer l’apparition d’une structure localisée de particules disposées en zigzag (en haut à gauche) et ensuite l’augmentation de l’extension de ce domaine en zigzag le long du système jusqu’à occuper pratiquement la moitié de la cellule.

Relâchement du confinement (cliquer pour lancer la vidéo)

Réorganisation d’un système de deux bulles vers une configuration d’équilibre : coalescence

La coalescence et le collapse sont les deux processus par lesquels une paire de bulles peut se réorganiser vers l’état d’’équilibre constitué d’une seule bulle.

Simulation d’une coalescence (cliquer pour lancer la vidéo)

Processus de coalescence (cliquer pour lancer la vidéo)

Au cours du processus de coalescence, les bulles entrent en contact et finissent par fusionner ensemble. Ce processus est présenté dans les deux vidéos ci-jointes à la fois pour une simulation et pour une observation expérimentale.

Réorganisation d’un système de deux bulles vers une configuration d’équilibre : collapse

Simulation de collapse (cliquer pour lancer la vidéo)

À l’inverse, le processus de collapse, pour lequel une des deux bulles se vide au profit de l’autre, ne nécessite aucune mise en contact des bulles, il est observable de nouveau dans une simulation numérique et une réalisation expérimentale dans les vidéos suivantes.