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Genèse goutte à goutte d’une découverte scientifique

4 juin

Une coopération entre Frédéric Risso (DR CNRS) de l’IMFT et 2 chercheurs du LGC [1] - Benjamin Lalanne (MC INP) et Olivier Masbernat (DR CNRS) - vient de donner lieu à une publication dans la prestigieuse revue Physical Review Letters. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre collaboratif de la fédération FERMaT [2].
L’article intitulé « Determination of interfacial concentration of a contaminated droplet from shape oscillation damping » est désigné en tant qu’Editors’ Suggestion et labellisé Featured in Physics par les éditeurs, en raison du caractère innovant de la découverte scientifique et de ses applications potentielles.

Les chercheurs ont ainsi mis au point un système de mesure très original de par son approche.

Tout a débuté en observant les oscillations d’une goutte lâchée dans un liquide contenant une infime quantité de tensioactifs et en pensant à une théorie trentenaire applicable normalement sans gravité : elle prédit que l’élasticité de Gibbs de surface liée aux tensio-actifs présents augmenterait l’amortissement des oscillations de la goutte, donc la dissipation d’énergie.

Les tensioactifs, ce sont ces molécules provenant d’impuretés du milieu : solutés issus de transferts avec les parois d’un réservoir, protéines issues de l’épiderme humain, par exemple ; ils modifient notoirement la mécanique de l’interface (écoulement, transferts) en agissant sur la vitesse et la forme des oscillations de la goutte.

Grâce à la simulation numérique permettant de faire varier la pesanteur et la présence des tensioactifs, cette théorie a pu être étendue, avec confirmation des résultats expérimentalement.

L’originalité de la démarche consiste donc à avoir utilisé une théorie dans un autre contexte que celui d’origine et à avoir considéré l’amortissement des oscillations de la goutte, plutôt que la fréquence des mouvements, plus communément prise en compte.

En recourant à la caméra rapide pour filmer l’amortissement des oscillations de la goutte, les chercheurs ont constaté qu’ils pouvaient mesurer précisément la quantité de tensioactifs transportée par la goutte à la surface ; ils ont alors eu l’idée novatrice de s’en servir comme outil de mesure des contaminants.

Cette découverte hors des sentiers battus a plusieurs intérêts :

  • Prouvant que la théorie fonctionne en condition de gravité, elle va éviter le recours coûteux aux expériences en microgravité ;
  • Fournissant un système de mesure mécanique des polluants, simple et facile à mettre en œuvre, elle dispense des mesures chimiques laborieuses.

Cette trouvaille valable pour les gouttes comme pour les bulles peut être utilisée dans n’importe quel système utilisant la technologie des colonnes à bulles ou des contacteurs liquide-liquide, où sont présents des contaminants, même en infime quantité : en filmant in situ dans le système et en regardant comment la goutte oscille, notamment comment son mouvement s’amortit, tout ingénieur ou chercheur peut désormais faire une mesure à concentration très faible.

L’apport est prometteur dans le domaine du génie des procédés en vue d’améliorer les performances des réacteurs dédiés par exemple au traitement des eaux. Imaginons qu’il va aussi intéresser d’autres champs disciplinaires, en pensant premièrement aux biologistes et aux chimistes. Mais la singularité de la découverte laisse aussi augurer qu’elle pourrait être utilisée par d’autres métiers inattendus. Les chercheurs s’en réjouissent déjà !

La morale scientifique de cette découverte est qu’il est possible pour des chercheurs de tomber sur des pépites en portant un regard curieux et créatif sur leurs expériences passées et en utilisant de façon inédite des théories somme toute assez simples. C’est l’itinéraire qu’ont suivi ensemble Frédéric Risso et Olivier Masbernat depuis une quinzaine d’années, en travaillant sur des systèmes contaminés, comme l’eau, ou de composition complexe, comme le pétrole et le lait ; Benjamin Lalanne contribue pour sa part à ces recherches depuis sa thèse soutenue en 2012, coencadrée par F. Risso et par S. Tanguy (MDC Univ. Toulouse III-Paul Sabatier à l’IMFT).


Gouttelette qui se détache et monte en oscillant

  • au milieu, la forme de la goutte qui monte en oscillant,
  • à gauche l’amplitude des différents modes d’oscillation,
  • en bas à droite, la goutte attachée au tube avant d’être relâchée,
  • en haut à droite, une représentation des contaminants (« les têtards ») sur l’interface de la goutte

[1Laboratoire de Génie Chimique

[2Fédération de recherche Fluides Energie Réacteurs Matériauxet Transferts