L’influence du substrat sur la forme et la dynamique des bulles
Quelles influences peut avoir un substrat sec ou liquide sur la dynamique et la forme d’une bulle baignée dans un champ électrique ? Une question sur laquelle se sont penchés les chercheurs du GRASP, le Groupe de recherche et d'applications en physique statistique de l’ULiège. Des résultats permettant une meilleure compréhension de la dynamique des bulles et de leur ménisque sous champs électriques viennent d’être publiés dans la revue Physical Review Fluids.
L
es bulles sont des objets fascinants, qui, de par leur iridescence naturelle et leurs propriétés atypiques, captent aussi bien l'intérêt des artistes que celui des scientifiques. Une des capacités les plus remarquables de la bulle est de spontanément adopter, une fois soufflée, la forme d'une sphère parfaite. Cette propriété est liée à sa structure très particulière qui met en jeu deux échelles de grandeur fortement différentes. En effet, la bulle est un objet centimétrique qui est composé d'une fine membrane savonneuse dont l'épaisseur ne dépasse généralement pas le micromètre. C'est grâce à cette très fine membrane liquide, qui sépare l'air encapsulé de celui de l'extérieur, que l'on peut observer de superbes couleurs sur une bulle sphérique flottant au vent.
C'est d'ailleurs la présence de cette membrane, et donc de deux interfaces air-liquide, qui permet de distinguer les bulles des gouttes. En effet, ces dernières ne possèdent qu'une seule et unique interface, ce qui fait que le volume d’une goutte est entièrement composé de liquide, et est donc plus « lourd » que celui d’une bulle. De ce fait, les gouttes sont plus sensibles à la gravité et se déforment beaucoup plus sous ses effets que les bulles. « Il est toutefois possible de modifier la forme d'une bulle d'autres manières, comme par exemples avec des champs électriques, explique Sébastien Mawet, doctorant au GRASP (Unité de recherches CESAM/Faculté des Sciences) de l’ULiège et premier auteur de l’article publié dans Physical Review Fluids. En effet, une fois déposée sur un substrat pour faciliter son étude et baignée dans un champ électrique, la bulle initialement hémisphérique se déforme en une demi-ellipse et adopte la forme d'un demi-ballon de rugby. « Si l'on continue à augmenter le champ jusqu'à atteindre des valeurs de l'ordre de plusieurs kilovolts par millimètre, reprend Sébastien Mawet, la bulle change encore une fois de forme pour adopter celle d'un cône. Une fois dans cet état, la bulle se met à éjecter à très grande vitesse des gouttelettes chargées micrométriques depuis sa pointe. » Ce phénomène physique porte le nom de « cône de Taylor », en mémoire du premier chercheur à lui avoir donné une explication.
« Ce phénomène est particulièrement étudié sur les gouttes, explique Stéphane Dorbolo, chercheur qualifié FNRS au GRASP et co-auteur de l’étude, car il est à la base des techniques d'électrosprays et d'électrofilages qui trouvent leurs utilités dans des domaines variés allant de l'imprimerie de très haute résolution à la propulsion spatiale, en passant par la création de pansements de nanofibres permettant de dispenser très efficacement des médicaments directement sur une plaie. » Cependant, dans chacune de ces technologies, les gouttes reposent sur des substrats solides et non liquides. En effet, les techniques nécessaires à l'étude d'une goutte sur son propre liquides sont difficiles à mettre en place.
Une bulle, par contre, n'est pas soumise à ces restrictions. « Il est en effet très simple de former des bulles à la surface d'un liquide, reprend Hervé Caps, physicien au GRASP et Co-auteur de l’étude. Nous nous sommes donc servi de cette particularité pour étudier l'influence du substrat - soit solide soit liquide - sur la dynamique et la forme générale de bulles baignées dans un champ électrique généré par un condensateur plan. »
À l’aide des résultats obtenus, les chercheurs ont pu constater que l'influence du substrat (une plaque sèche ou un bassin liquide) pouvait se résumer en deux grandes tendances. Premièrement, il n'y a pas de ligne de contact et de donc « frottements » entre un substrat liquide et une bulle flottante, ce qui permet à la base de cette dernière d'être plus mobile. Deuxièmement, contrairement aux bulles reposants sur des surfaces solides, les bulles flottantes, posées dans un bassin liquide, possèdent à la fois une partie émergée et immergée. La présence de cette partie immergé induit la présence d’une troisième interface air-liquide en plus des deux autres déjà présent dû à la partie émergée. C'est la combinaison de ces deux effets, inhérent aux bulles flottantes, qui permet d'expliquer les différences de forme observées entre des bulles flottantes (sur un substrat liquide) et sessiles (en contact avec un substrat sec) lorsqu'elles sont soumises à un champ électrique.
L'intérêt de cette recherche est d'étudier les interactions entre liquide et champ électrique dans la configuration particulière d'un film de savon sous forme de bulle. La compréhension de ces mécanismes est à la base du développement des techniques d'électrosprays et d'électrofilages qui sont une source d'innovations technologiques majeures dans des domaines variés.
Référence scientifique
S.Mawet, H.Caps, and S.Dorbolo, Deformation of Soap Bubbles in Uniform Electric Fields, Phys. Rev. Fluids 6, 043603 (April 2021) 10.1103/PhysRevFluids.6.043603
