Gouttes, bulles de savon et billes de gaz

Cet article présente une nouvelle méthode permettant de renforcer des bulles de gaz par des grains solides. Les propriétés mécaniques remarquables des « billes de gaz » obtenues par ce procédé sont décrites et comparées à celles des « billes liquides » (gouttelettes enrobées de grains).

Une goutte est un petit volume de liquide séparé du milieu environnant par une interface. C’est un objet fragile qui peut se déformer ou même disparaître en s’évaporant ou en s’étalant sur une surface. Un moyen de rendre une gouttelette plus robuste est de la recouvrir de grains. Ce procédé d’enrobage qui permet de générer ce qu’on appelle des « billes liquides » a été découvert en 2001 [1]. Les billes liquides se démarquent des gouttes conventionnelles par deux propriétés : elles peuvent rouler sur une surface solide sans y adhérer ni la mouiller et elles vivent plus longtemps que des gouttelettes car l’évaporation du liquide piégé par les grains est ralenti. Les billes liquides ont un potentiel d’applications étendu grâce à ces propriétés hors du commun. Elles peuvent servir par exemple de détecteurs de gaz lorsque le liquide qu’elles contiennent se colore en réagissant chimiquement avec un gaz  [2]. Les billes liquides peuvent également indiquer la contamination d’un réservoir d’eau par des huiles ou du pétrole grâce à l’affinité des grains constituant la coque avec les produits pétroliers. Lorsque ces derniers contaminent une surface ou des billes liquides sont présentes, les grains migrent de la gouttelette d’eau vers le polluant. Sans sa coque, la gouttelette d’eau s’étale et disparaît [3]  . Le même concept peut être appliqué aux bulles suspendues dans un liquide en plaçant des grains au niveau de l’interface liquide-gaz qui délimite les bulles de gaz. La dissolution du gaz dans le liquide environnant est ralentie dans ce cas également [4]. Qu’en est-il d’isoler un volume de gaz dans un environnement gazeux ? L’un des systèmes les plus simples permettant de faire ça sont les bulles de savon. Le film liquide qui constitue la paroi de la bulle de savon isole un volume de gaz tant qu’il ne se perce pas. En s’inspirant des billes liquides, on pourrait s’interroger sur la possibilité d’incorporer des grains au film liquide qui délimite une bulle de savon. En effet, gouttes, bulles et bulles de savon (voir figure 1) sont similaires sous certains aspects : il s’agit dans les trois cas d’un volume de fluide (liquide ou bien gaz) séparé d’un autre fluide par une ou deux interfaces liquide\gaz. Au-delà de la faisabilité, on peut s’interroger sur l’effet qu’auraient des grains sur une bulle de savon. Une bille de gaz serait-elle plus robuste qu’une bulle de savon ordinaire ?

La réponse est oui ! Dans la cadre de mon travail de thèse, nous avons montré qu’il est possible de générer des billes de gaz. Encore plus intéressant ; les grains renforcent 10 fois plus une bulle de savon qu’une gouttelette. Dans la suite, nous allons voir comment les billes de gaz sont générées et comment leur force est mesurée.

Comment créer une bille de gaz ?

Une bulle de savon peut être générée en soufflant sur un film liquide de savon. Le flux d’air déforme le film liquide, une cavité se crée et le film de savon finit par se refermer sur lui-même en se détachant du cadre qui le maintenait initialement. La génération des billes de gaz est inspirée de cette méthode. Des grains solides légèrement hydrophobes (diamètre compris entre 250 et 590 microns) sont saupoudrés sur un bain de solution savonneuse dans un premier temps. Ensuite, un cadre carré ou rectangulaire (1cm de côté) est plongé puis sorti du bain. Une portion de l’interface liquide/air recouverte de grains est entraînée par le cadre puis finit par se détacher et se refermer sur elle-même en piégeant un volume d’air grâce à la masse des grains. Une photo d’une bille de gaz que nous obtenons par cette méthode est présentée dans la figure 2. Le diamètre des billes est de l’ordre de quelques millimètres.

Comment mesurer la force d’une bille de gaz ?

Un moyen simple de caractériser la force d’une bille de gaz est d’étudier sa réponse à des variations de pression. Une bulle de savon soumise au même test se déforme pour accommoder les variations de pressions tant qu’elle n’éclate pas : son diamètre augmente lorsqu’elle est sur-pressurisée et diminue lorsqu’elle subit une dépressurisation. Une bille de gaz est susceptible de répondre différemment à cause de la présence des grains au niveau de la paroi qui la délimite.

Une fois générée, une bille de gaz est prélevée du bain liquide et est déposée sur une aiguille reliée à une seringue. En faisant varier le volume de la seringue de manière contrôlée, nous entraînons des variations de pression intérieure de la bille de gaz (la pression intérieure est augmentée en diminuant le volume de la seringue et vice-versa). La valeur de la pression est mesurée à l’aide d’un capteur de pression relié à la bille de gaz. Deux caméras permettent par ailleurs de suivre la forme des bulles chargées pendant les expériences grâce à une vue de côté et de dessus.

Les résultats expérimentaux que nous avons obtenus mettent en évidence une propriété singulière des billes de gaz : contrairement à une bulle de savon, une bille de gaz peut subir une dépressurisation et une sur-pressurisation sans se déformer. Mais au-delà de pressions relatives critiques définissant une gamme de stabilité, une bille de gaz s’effondre ou bien s’étire avant d’éclater lorsqu’elle est soumise respectivement à une dépressurisation ou à une sur-pressurisation trop forte.

Comparons maintenant la stabilité des billes de gaz à celle des billes liquides. Une gouttelette est tout aussi incapable de résister aux variations de pressions qu’une bulle de savon, elle se déforme pour les accommoder. En revanche, une bille liquide reste stable lorsqu’elle subit une surpression ne dépassant pas une valeur critique (valeurs positives de pression relative normalisée sur la figure 3). Les billes de gaz sont ainsi plus robustes que les billes liquides parce que, d’une part, une bille liquide ne résiste pas aux dépressurisations et que la valeur critique définissant la gamme de stabilité d’une bille liquide en surpression est 10 fois plus faible que son équivalent pour une bille de gaz d’une autre part (voir figure 3).

Pourquoi l’effet stabilisant des grains est plus important pour une bille de gaz ?

Nous attribuons la stabilité remarquable des billes de gaz à la forte cohésion entre les grains qui résulte de la présence de deux interfaces liquide/gaz au niveau de la paroi. Cette cohésion limite les déplacements des grains et rend ainsi les billes de gaz peu déformables. Pour une goutte, une interface délimite un volume de liquide dans un milieu gazeux et les phases sont simplement inversées dans le cas d’une bulle : une interface délimite un volume de gaz au sein d’un liquide. Une bulle de savon se différencie par le nombre d’interface liquide/gaz qu’elle fait intervenir. Pour sortir d’une bulle de savon, on doit traverser une première interface séparant le gaz intérieur du film liquide puis une seconde interface séparant le film de savon du gaz extérieur. La tension de surface de ces interfaces entraîne une attraction entre les particules. La présence d’une unique interface au niveau de la coque des billes liquides ne génère qu’une faible attraction entre les grains.

Les billes de gaz que nous avons générées et caractérisées pour la première fois pendant ma thèse (voir aussi  [5]) ouvrent la porte vers de nombreuses applications : elles pourraient transporter des gaz précieux ou bien pollués. En enfermant des gaz réactifs, elles pourraient également servir de détecteur de gaz comme les billes liquides précitées. On peut aussi imaginer un système de « livraison d’odeurs » ou il suffirait d’écraser quelques billes de gaz entre ses doigts pour libérer un parfum. Au-delà de ces idées à l’échelle d’une bille de gaz, une mousse ou une émulsion pourrait être renforcée en y intégrant des billes de gaz… Avec un tel potentiel d’applications, beaucoup de travail reste à faire sur les billes de gaz !