Un labyrinthe créé par l'évaporation d'une goutte d'eau savonneuse

Mieux comprendre la détérioration des constructions, ou l'évolution d'un cancer rare de l'os : c'est ce que permet une étude récente de physiciens rennais de l'IPR (CNRS/UnivRennes1). Elle établit un lien surprenant entre ces problèmes d'architecture et l'évaporation d'une goutte d'eau savonneuse dans un réseau de plots, à l'échelle du centimètre. Publication en août 2018 dans Physical Review Letters.

Gros plan sur le dispositif
  1. L'expérience
  2. Simulation
  3. Applications
  4. Référence

L'expérience

L’évaporation de gouttes de solutions savonneuses confinées dans des milieux poreux bidimensionnels crée des motifs de séchage micrométriques qui forment les murs d’un labyrinthe à l’échelle du centimètre.
 

Pour recréer ce phénomène de manière contrôlée, des physiciens rennais de l'IPR ont utilisé des milieux poreux modèles transparents, constitués d’une assemblée de plots cylindriques arrangés sur des réseaux réguliers, carrés ou rectangulaires. Ces dispositifs permettent une visualisation directe des mécanismes physiques régissant le séchage à l’échelle de la brique élémentaire du réseau, c’est-à-dire un pore formé par quatre plots.

La formation des motifs résulte d’une succession de sauts individuels des ménisques liquides formant le contour d’une goutte. Ces évènements séquentiels survenant à l’échelle d’un pore ont lieu totalement au hasard au sein du réseau. La rencontre de deux ménisques voisins lors d’un saut conduit à la création d’un mur de molécules de savon entre deux plots.

En fin de séchage, ces murs relient entre eux tous les plots du réseau initialement mouillés, formant ainsi un labyrinthe parfait dans lequel deux plots quelconques du réseau sont connectés par un seul chemin. Ce système, régi par des règles itératives simples à l’échelle d’un pore, génère du désordre à l’échelle de la goutte.

Simulation

Pour mieux comprendre l’origine de ce phénomène collectif, les chercheurs ont développé un automate cellulaire qui sert de générateur de labyrinthe et permet de reproduire les observations expérimentales par des simulations numériques.

Comparaison expérience et simulation numérique - L’image montre une comparaison entre expérience et simulation numérique de l’évaporation d’une goutte d’un liquide (mélange eau/surfactant) dans un dispositif bidimensionnel consistant en une assemblée de plots cylindriques arrangés sur un réseau carré. La hauteur des plots et le pas du réseau sont respectivement de 50 μm et 200 μm. Barre d’échelle : 1 mm. - © P. Panizza et al.

 

Applications

Ce  travail qui permet de mieux comprendre les mécanismes de formation de dépôts solides au sein de matrices poreuses ouvre des perspectives intéressantes pour le génie civil. En effet, ce type de phénomènes induit la détérioration de nombreux ouvrages civils, en affectant les propriétés mécaniques des matériaux de construction.

Ce type d’approche utilisant des automates cellulaires offre également des retombées pour comprendre l’évolution de la structure dans des cancers rares de l’os, les ostéosarcomes.

Référence

Order-Disorder Structural Transitions in Mazes Built by Evaporating Drops

P. Panizza, H. Algaba, M. Postic, G. Raffy, L. Courbin et F. Artzner

Physical Review Letters (2018), doi: 10.1103/PhysRevLett.121.078002