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Des gouttes qui pulsent… et impulsent une forte dynamique de recherche

5 mars

Véronique Pimienta du Laboratoire des Interactions Moléculaires et Réactivité Chimique et Photochimique [1], Jacques Magnaudet et Julien Sebilleau de l’Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse [2], ont récemment observé et décrypté l’étonnant comportement de gouttes de solvant qui pulsent à la surface de l’eau en dessinant des fleurs, travaux publiés dans Nature Communications le 26 février.

Cette découverte, potentiellement prometteuse en termes d’applications, suscite un intérêt médiatique certain, d’autant plus que l’expérience est particulièrement esthétique et pourrait aussi inspirer des artistes.
Elle a d’ores et déjà fait l’objet d’un communiqué de presse décrivant l’essentiel du phénomène, d’un reportage de la Dépêche, d’un article à paraître dans ’Pour la Science’ en avril et d’une vidéo de la série ’Zeste de Science’ [3] diffusée sur YouTube, relayée dans CNRS le Journal et dans la lettre électronique de l’INSIS.

Véronique Pimienta étudie depuis une dizaine d’année les comportements de gouttes constituées d’un solvant chloré, le dichlorométhane, en présence d’un tensioactif (le bromure de cetyltrimethylammonium, dit CTAB) qui peut être injecté dans la goutte, dans l’eau sur laquelle elle est déposée, ou dans les deux. Le tensioactif permet principalement d’abaisser la tension de surface de l’eau et favorise la solubilisation du solvant dans l’eau. Sous l’effet des forces capillaires, la goutte peut sous certaines conditions s’étaler et se contracter de manière cyclique, en subissant de spectaculaires transformations successives, jusqu’à former finalement une fleur stylisée. En augmentant la concentration en tensioactif, elle peut aussi se mettre à tourner, prenant la forme d’un rotor à deux ou trois pointes, voire d’un heptagone. Le processus se poursuit au fil de l’évaporation du solvant, jusqu’à ce que la goutte disparaisse.

Si V. Pimienta est une orfèvre des processus physico-chimiques, il lui fallait l’appui de mécaniciens des fluides pour affiner ses observations et disséquer les mécanismes mis en jeu dans les dynamiques remarquables qu’elle observait. C’est ainsi qu’elle a frappé à la porte de l’IMFT un jour de 2012. Une collaboration s’initie alors, associant au projet Jacques Magnaudet (DR CNRS) puis Julien Sebilleau (MC INPT-ENSEEIHT). La collaboration prend corps sous la forme d’un projet Idex intitulé DROPDYN, financé en 2014 et adossé à une bourse de thèse.

L’expérience qui fait l’objet de la publication a été réalisée dans le hall Bouasse de l’IMFT, dans une simple boite de Petri remplie d’eau ultra pure sur laquelle a été déposée une goutte de 5 mm de diamètre environ. Julien Sebilleau imagine le montage expérimental et le dispositif d’observation optique, et le met en place avec le concours de Sébastien Cazin, ingénieur de recherche dans le service Signaux Images de l’IMFT. Ils ont recours à la strioscopie (dite aussi technique de « schlieren ») qui permet de visualiser les variations d’indice optique. Florian Wodlei, doctorant de V. Pimienta, filme le phénomène grâce à une caméra rapide ; il obtient ainsi de très nombreuses images de la goutte en vue de dessus, mettant en évidence la richesse de sa dynamique non-linéaire.

Or observer ne permet pas de tout comprendre, et il faut élaborer des modèles théoriques pour tester des hypothèses et percer certains mystères des mécanismes qui sont à l’œuvre. Un dialogue étroit se noue peu à peu entre les expériences menées conjointement à l’IMFT et à l’IMRCP et le développement des modèles qu’entreprend J. Magnaudet, nourri par les discussions menées au sein de l’équipe. Des mesures complémentaires sont réalisées pour quantifier certains aspects du phénomène - l’évolution du poids de la goutte dans le temps est par exemple déterminée pour accéder au flux d’évaporation - . Tous ces paramètres contribuent petit à petit au développement de ces modèles hydrodynamiques qui finissent par expliquer les grandes étapes du phénomène.

Mais pour arriver à écrire cette histoire, que d’errements ! J. Magnaudet considère avoir passé deux ans à regarder les films en boucle sans vraiment parvenir à identifier l’origine des mécanismes principaux… Puis la pelote se dévide peu à peu : il commence par décrire l’écoulement et le champ de température dans le film qui s’étale autour de la goutte, et réalise qu’on peut relier la variation de la tension de surface induite par l’évaporation à l’épaisseur du bourrelet entourant le film et à celle du film lui-même, qu’on ne peut mesurer expérimentalement. En adaptant des travaux réalisés dans d’autres contextes (la fragmentation des jets liquides étirés, le phénomène des « larmes de vin »), il parvient aussi à confirmer la nature des mécanismes responsables de l’éclatement du bourrelet et de la formation des branches d’étoile à la surface du film, en comparant les prédictions théoriques aux résultats expérimentaux.

Au-delà des applications que cette découverte et sa compréhension permettent d’envisager, le grand intérêt de ce travail pour les chercheurs impliqués réside dans son approche transdisciplinaire, au carrefour de la chimie physique et de l’hydrodynamique, avec une combinaison étroite d’expériences et de modélisation. De l’aveu même des chercheurs, l’une des plus grandes difficultés au départ de ce travail a été de parvenir à un langage commun !

D’autres mesures, notamment une cartographie du champ de température réalisée par thermographie infrarouge par J. Sebilleau, n’ont pas encore été exploitées. Mais ces recherches sont appelées à se poursuivre sur des phénomènes connexes. Certainement encore une occasion de se lancer des fleurs, dans tous les sens du terme !

Légende : une goutte de dichlorométhane (diamètre 5.5 mm) est déposée sur de l’eau contenue dans une boîte de Petri. Les deux phases contiennent initialement du CTAB en concentration identique. La goutte s’étale sous la forme d’un film épais de quelques microns et l’ensemble se met à pulser régulièrement. La séquence montre une vue de dessus des quatre premières pulsations.


[1(IMRCP - CNRS / Université Toulouse III - Paul Sabatier)

[2(IMFT - CNRS / Toulouse INP / Université Toulouse III - Paul Sabatier)

[3il s’agit d’une chaîne YouTube développée depuis 2017 par le CNRS et diffusant de courtes vidéos présentant des avancées scientifiques sur un ton humoristique et dynamique