Une compréhension plus fine des écoulements Marangoni

L'étude des écoulements Marangoni est cruciale pour comprendre la stabilité des mousses et des émulsions.

  Vue de côté d'un écoulement Marangoni créé sur une couche aqueuse par des tensioactifs solubles dans l’eau
  1. Petite expérience facile à reproduire
  2. Une réalité complexe
  3. Perspectives
  4. En savoir plus

Vue de côté d'un écoulement Marangoni créé sur une couche aqueuse par des tensioactifs solubles dans l’eau. La lumière blanche résulte de la diffusion de la lumière par les particules permettant de suivre l’écoulement. La zone circulaire sombre autour de la pointe de l’aiguille correspond à l’écoulement Marangoni de taille finie. Crédit : Matthieu Roché

Petite expérience facile à reproduire

Déposez une goutte de savon liquide sur la surface d’une couche d’eau préalablement couverte de grains de poivre. Vous observerez que les grains sont rapidement transportés jusqu’aux parois du récipient. Cette expérience illustre l’efficacité et la rapidité d'un phénomène appelé "écoulements Marangoni" dont l’étude est cruciale pour comprendre la stabilité des mousses et des émulsions, pour améliorer les techniques de thérapie respiratoire ou encore pour décrire la locomotion de certains insectes à la surface de l’eau.

Une réalité complexe

Il s'avère que la majorité des travaux existants sur l’étalement de tensioactifs considère des molécules strictement insolubles dans l’eau. Or, en situation réelle, les molécules tensioactives sont solubles dans l’eau et elles peuvent quitter la surface libre pour le volume de la couche d’eau et vice-versa... L’influence de la solubilité des tensioactifs sur les propriétés des écoulements Marangoni restait à comprendre.

Avancée théorique

C’est chose faite grâce à une collaboration entre des chercheurs de l’Institut de Physique de Rennes (CNRS/Université de Rennes 1) et des chercheurs des universités de Princeton (États-Unis) et Oxford (Royaume-Uni). Ces trois groupes viennent de montrer qu’un excès localisé de tensioactifs solubles dans l’eau déposé sur une couche aqueuse induit des écoulements Marangoni ayant une taille finie de l’ordre de quelques centimètres.

Méthode et résultat

Les chercheurs ont utilisé différentes familles de tensioactifs de « tête » ionique hydrophile et de « queue » carbonée hydrophobe variables. Ils ont montré que la taille de l’écoulement augmentait avec une augmentation du nombre d’atomes de carbones présents dans la queue, c’est-à-dire avec l’hydrophobicité de la molécule. Inversement, la portée de l’écoulement diminue avec une augmentation du nombre de molécules d’eau liées à la tête ionique, c’est-à-dire avec l’hydrophilicité de la molécule. Ainsi, la taille de l’écoulement reflète directement à une échelle macroscopique l’équilibre hydrophile/hydrophobe ("amphiphilicité") d’une molécule à l’échelle moléculaire.

Modélisation

Les chercheurs ont aussi proposé un modèle en loi d’échelle permettant de relier leurs observations aux propriétés thermodynamiques des tensioactifs, notamment la concentration à laquelle ils s’auto-assemblent en agrégats dans l’eau (micelles).

Perspectives

Ce travail ouvre la possibilité de développer des techniques de caractérisation rapide des molécules tensioactives en présence d’un solvant. Cette étude suggère aussi de nouvelles perspectives quant à la compréhension des mousses et des émulsions (stabilité des films séparant les bulles/gouttes… ) et, plus généralement, quant aux écoulements de fluides complexes à interface libre.

En savoir plus

Matthieu Roché, Zhenzhen Li, Ian M. Griffiths, Sébastien Le Roux, Isabelle Cantat, Arnaud Saint-Jalmes, and Howard A. Stone : Marangoni Flow of Soluble Amphiphiles
Phys. Rev. Lett. 112, 208302 – Published 20 May 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.112.208302

Laboratoires impliqués