Les physiciens ont créé des “bulles éternelles”

La coque d’une bille gazeuse eau/glycérol (bulle) reste liquide et sphérique même après 101 jours, et elle réagit comme un film liquide lorsqu’elle est percée. Ces bulles artificielles pourraient être utilisées pour créer des mousses stables.

A. Roux et al., 2022

Souffler des bulles de savon ne manque jamais de ravir son âme d’enfant, peut-être parce qu’elles sont intrinsèquement éphémères, éclatant au bout de quelques minutes seulement. Aujourd’hui, des physiciens français ont réussi à créer des “bulles éternelles” à partir de particules de plastique, de glycérol et d’eau, selon un nouveau papier publié dans la revue Physical Review Fluids. La plus longue bulle qu’ils ont construite a survécu pendant 465 jours.

Les bulles ont longtemps fasciné les physiciens. Par exemple, les physiciens français en 2016 élaboré un modèle théorique du mécanisme exact de formation des bulles de savon lorsque des jets d’air frappent un film savonneux. Les chercheurs ont découvert que les bulles ne se formaient qu’au-delà d’une certaine vitesse, qui à son tour dépendait de la largeur du jet d’air.

En 2018, nous avons signalé sur la façon dont les mathématiciens du laboratoire de mathématiques appliquées de l’Université de New York avaient affiné la méthode pour souffler la bulle parfaite sur la base d’une série d’expériences avec des films minces et savonneux. Les mathématiciens ont conclu qu’il était préférable d’utiliser une baguette circulaire avec un périmètre de 1,5 pouce (3,8 cm) et de souffler doucement à une vitesse constante de 2,7 pouces par seconde (6,9 cm/s). Soufflez à des vitesses plus élevées et la bulle éclatera. Si vous utilisez une baguette plus petite ou plus grande, la même chose se produira.

Et en 2020, les physiciens ont déterminé qu’un ingrédient clé pour créer des bulles gigantesques est le mélange de polymères de différentes longueurs de brins. Qui produit un film de savon capable de s’étirer suffisamment faire une bulle géante sans se casser. Les brins de polymère s’emmêlent, comme une boule de poils, formant des brins plus longs qui ne veulent pas se séparer. Dans la bonne combinaison, un polymère permet à un film de savon d’atteindre un «point idéal» qui est visqueux mais également extensible, mais pas si extensible qu’il se déchire. La variation de la longueur des brins de polymère a donné un film de savon plus solide.

Les scientifiques s’intéressent également à l’allongement de la durée de vie des bulles. Les bulles prennent naturellement la forme d’une sphère : un volume d’air enfermé dans une peau liquide très fine qui isole chaque bulle d’une mousse de ses voisines. Les bulles doivent leur géométrie au phénomène de tension superficielle, une force qui résulte de l’attraction moléculaire. Plus la surface est grande, plus il faut d’énergie pour maintenir une forme donnée, c’est pourquoi les bulles cherchent à prendre la forme avec la plus petite surface : une sphère.

Comparaison de la durée de vie de trois types de bulles.  (a) Bulle de savon, 1 minute ;  (b) billes de gaz à l'eau, 6-9 minutes;  (c) marbre gazeux eau/glycérol, 101+ jours.
Agrandir / Comparaison de la durée de vie de trois types de bulles. (a) Bulle de savon, 1 minute ; (b) billes de gaz à l’eau, 6-9 minutes; (c) marbre gazeux eau/glycérol, 101+ jours.

A. Roux et al,. 2022

Cependant, la plupart des bulles éclatent en quelques minutes dans une atmosphère standard. Au fil du temps, la force de gravité draine progressivement le liquide vers le bas et, en même temps, le composant liquide s’évapore lentement. Au fur et à mesure que la quantité de liquide diminue, les “parois” des bulles deviennent très fines et les petites bulles d’une mousse se combinent en plus grosses. La combinaison de ces deux effets est appelée “grossissement”. L’ajout d’une sorte de tensioactif empêche la tension superficielle de faire s’effondrer les bulles en renforçant les fines parois du film liquide qui les séparent. Mais finalement l’inévitable se produit toujours.

En 2017, des physiciens français trouvé ça une coque sphérique faite de microsphères en plastique peut stocker du gaz sous pression dans un volume infime. Les physiciens ont surnommé les objets “billes de gaz”. Les objets sont liés à ce qu’on appelle des billes liquides – des gouttelettes de liquide recouvertes de billes microscopiques repoussant les liquides, qui peuvent rouler sur une surface solide sans se briser. Alors que les propriétés mécaniques des billes à gaz ont fait l’objet de plusieurs études, personne n’avait mené d’expériences pour explorer la longévité des billes.

Alors Aymeric Roux de l’Université de Lille et plusieurs collègues ont décidé de combler cette lacune. Ils ont expérimenté trois types de bulles différentes : des bulles de savon standard, des billes de gaz à base d’eau et des billes de gaz à base d’eau et de glycérol. Pour fabriquer leurs billes à gaz, Roux et coll. étaler des particules de plastique à la surface d’un bain-marie, qui se sont collées pour former un radeau granuleux. Ensuite, les chercheurs ont injecté un peu d’air avec une seringue juste en dessous du radeau pour former des bulles et ont utilisé une cuillère pour pousser les bulles sur le radeau jusqu’à ce que toute la surface de chaque bulle soit recouverte de particules de plastique.

Durée de vie des films liquides fixés sur une armature métallique.  (L) cadres horizontaux ;  (R) cadre pyramidal.
Agrandir / Durée de vie des films liquides fixés sur une armature métallique. (L) cadres horizontaux ; (R) cadre pyramidal.

A. Roux et al., 2022

Les bulles de savon standard ont éclaté en une minute environ, comme prévu. Mais Roux et al. ont constaté que le revêtement de particules de plastique neutralisait de manière significative le processus de drainage des billes de gaz à base d’eau, qui s’effondraient entre six et 60 minutes. Pour prolonger encore plus la durée de vie, les chercheurs devaient également neutraliser l’évaporation.

Ils ont donc ajouté du glycérol à l’eau. Selon les auteurs, le glycérol a une forte concentration de groupes hydroxyle, qui à leur tour ont une forte affinité avec les molécules d’eau, créant de fortes liaisons hydrogène. Ainsi, le glycérol est mieux à même d’absorber l’eau de l’air, compensant ainsi l’évaporation. Les billes de gaz eau / glycérol ont duré beaucoup plus longtemps: de cinq semaines à 465 jours, permettant aux chercheurs de déterminer le meilleur rapport eau / glycérol – la recette parfaite pour des billes de gaz à longue durée de vie.

Le travail des chercheurs s’étend même au-delà des bulles. Ils ont également pu créer des films liquides composites robustes et les façonner en différents objets en plongeant un cadre métallique sous une surface liquide recouverte d’une couche de particules de plastique coincées. Le cadre a capturé des films recouverts de particules alors qu’il était lentement remonté à la surface. Notamment, Roux et al. ont pu construire une pyramide 3D à partir d’un film liquide eau/glycérol. La pyramide a duré plus de 378 jours (et plus).

DOI : Fluides d’examen physique, 2022. 10.1103/PhysRevFluids.7.L011601 (À propos des DOI).

Image de l’annonce par A. Roux et al, 2022

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