Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
Reflets de la Physique n°59 sep/oct/nov 2018
  • Prix facial : gratuit

  • Parution : n°59 de sep/oct/nov 2018

  • Périodicité : bimestriel

  • Editeur : Société Française de Physique

  • Format : (210 x 297) mm

  • Nombre de pages : 48

  • Taille du fichier PDF : 6 Mo

  • Dans ce numéro : des gouttes qui s'éclatent.

  • Prix de vente (PDF) : gratuit

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 » > Une goutte en forme d’œuf au plat Observons la goutte plus attentivement. La couleur de son centre est plus prononcée que dans les régions périphériques (fig. 2a). Ceci traduit le fait que la goutte est plus épaisse au centre et amincie au bord. Des mesures quantitatives du profil d’épaisseur des gouttes peuvent aussi être réalisées par interférométrie, en utilisant les couleurs qu’on peut parfois observer sur les taches d’huile étalées sur une route mouillée (fig. 2b). Au centre de la goutte, l’épaisseur de mélange est de l’ordre d’une fraction de millimètre. À la périphérie, le film mesure parfois moins d’un micromètre ! Un gradient de concentration À taux d’évaporation égal, l’effet de l’évaporation est plus sensible dans les régions minces en périphérie de la goutte qui s’appauvrissent plus rapidement en alcool. Cette inhomogénéité de concentration se traduit aussi par l’apparition d’un gradient de tension interfaciale dirigé selon le rayon de la goutte. Ce gradient induit des contraintes mécaniques qui se développent le long de la surface, et drainent le liquide du centre de la goutte vers la périphérie (fig. 3). Cet écoulement, facilité par la présence du bain d’huile, s’oppose ainsi au retrait du bord de la goutte. Du liquide tend donc à s’accumuler en bord de goutte, formant ainsi une surépaisseur. C’est ce bourrelet qui se déstabilise et se fragmente, éjectant jusqu’à un milliard de microgouttes en quelques secondes ! Ce tore liquide, à l’instar de tout filament liquide, est en effet instable du point de vue de la tension superficielle  : comme le filet d’eau qui s’écoule de votre robinet, il se fragmente en une multitude de gouttes, dont la surface totale est inférieure à celle du cylindre de même volume. Vous aurez sans doute remarqué qu’un jet de petit diamètre se fragmente en petites gouttes  : la taille caractéristique des gouttes est proportionnelle au diamètre du jet. Dans l’expérience qui nous intéresse ici, la taille des gouttelettes reflète l’épaisseur du mince bourrelet qui se forme à la périphérie de la goutte. 34 Reflets de la Physique n°59 a D. -.F.e ;  : :- -r...%'. 4"...k'P."' !'.':. u'nee.t iiii ri-Ure. ; 40*.liel..e.e...'.'1.\\:eie.A.. ?  : es., po..>e..- -nee.reif 4'...}, Références.. : a. e ** e4.11. W. ;  : 4 ". d Tyr. es itV j:"à es del:1%*"2. Profil d’épaisseur de la goutte. (a) Une goutte de liquide chargée d’un peu de colorant apparaît foncée au centre, où elle est plus épaisse. En périphérie, la couleur moins dense traduit la faible épaisseur du film. Cette méthode est adaptée pour des films de mélange suffisamment épais (10 à 1000 mm typiquement), c’est-à-dire pour un mélange dont la concentration en alcool est légèrement au-dessus du seuil d’observation du phénomène. (b) Pour des gouttes suffisamment minces (100 nm à quelques mm), c’est-à-dire pour les mélanges les plus riches en alcool, des mesures quantitatives de l’épaisseur peuvent être réalisées par interférométrie. Tension interfaciale faible Eau + alcool Huile Flux induit Évaporation de l’alcool Tension interfaciale forte 3. L’étalement de Marangoni. Sous l’effet de l’évaporation, la périphérie amincie de la goutte s’appauvrit en alcool. L’inhomogénéité de composition se traduit par un déséquilibre de tension interfaciale qui draine le mélange du centre vers la périphérie de la goutte où le liquide s’accumule dans un bourrelet. Les écoulements dans l’huile sous la goutte (flèche orange) accompagnent cet étalement de Marangoni. 1L. Keiser et al., Phys. Rev. Lett., 118 (2017) 074504. 2 www.xaviermartinez.eu 3 www.youtube.com/watch ? v=7-HpbBnfIK4 4 J. B. Fournier et A.-M. Cazabat, Europhys. Lett., 20 (1992) 517. 5 M. Roché et al., Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 208302. 6 F. Wodleiet al., Nature Comm., 9 (2018) 820. 7 G. Durey, projet Lutétium, www.youtube.com/watch ? v=h3iUy4Wg8lg&t=61s b
Gradients de tension de surface  : l’effet Marangoni Vous pourrez retrouver dans un verre de vin un autre avatar de ce phénomène spectaculaire  : le film déposé en tournant délicatement le verre forme un bourrelet qui se déstabilise en « larmes » ou « jambes » appréciées des œnologues [4]. Là encore, l’évaporation préférentielle de l’alcool sur la partie supérieure du film se traduit par des gradients de tension superficielle qui drainent le film liquide vers le haut du verre, formant ainsi le bourrelet. En grossissant, ce renflement devient sensible à la gravité, et libère des gouttes qui retombent dans le verre. De taille millimétrique, ces gouttes sont sensiblement plus grosses que celles de l’expérience décrite précédemment. Il s’agit ici d’une variante de l’instabilité hydrodynamique de Rayleigh- Taylor, qui donne naissance à des gouttes sous un plafond humide. Les écoulements engendrés par des gradients de concentration sont qualifiés « d’effets Marangoni » en l’honneur du physicien italien qui s’est intéressé en 1865 à l’étalement d’un liquide sur un autre. Ces effets se manifestent également dans d’autres expériences de laboratoire mettant en jeu des ingrédients physiques similaires. Le dépôt d’une solution de surfactants à la surface de l’eau engendre ainsi des écoulements dans une région limitée par la dissolution des surfactants dans l’eau [5]. Une goutte de dichlorométhane déposée sur l’eau en présence de tensio-actifs donne aussi lieu à des phénomènes d’oscillations et de fragmentation spontanée en lien avec les observations discutées ici [6]. Il s’agit également d’une problématique industrielle importante. Les effets Marangoni peuvent en effet nuire à la qualité d’un revêtement en induisant une rugosité de surface en « peau d’orange ». Ce défaut, connu des peintres en bâtiment, apparait lors de l’application d’une couche de peinture trop épaisse sur une surface  : au séchage, le rendu prend un aspect granuleux. Le couplage des mécanismes physiques élémentaires de mouillage, lubrification, évaporation, fragmentation donne ainsi lieu à une classe de phénomènes riches, complexes mais aussi esthétiques [7], qu’on retrouve à la table d’un bon dîner comme au laboratoire ou dans de nombreux procédés industriels. ❚ La complexité du fonctionnement de la matière biologique ne saurait être comprise sans disposer de méthodes d’observations permettant de décrypter l’organisation tridimensionnelle des biomolécules qui la constituent. De telles méthodes doivent atteindre des résolutions permettant de distinguer les molécules elles-mêmes. Si la microscopie dite de « super-résolution » a permis d’atteindre cet objectif dans des cellules biologiques fines et isolées les unes des autres, à ce jour il était impossible de réaliser de telles observations en 3D sur des tissus biologiques intacts et épais (de plusieurs dizaines de couches de cellules, environ 50 mm). Avancées de la recherche Brève Des images nanométriques en 3D de molécules dans des tissus biologiques Extrait du communiqué de presse CNRS-Université de Bordeaux- Institut d’Optique Graduate School du 8 juin 2018 0 z (nm) 700 IICIUCIU 2 mm Image en super-résolution de 24 millions de molécules d’actine en 3D (la couleur codant pour la profondeur z), une protéine importante pour l’architecture et les mouvements de la cellule. Des chercheurs du Laboratoire photonique, numérique et nanosciences (LP2N) de Bordeaux ont développé un nouveau concept optique permettant de localiser en 3D avec des précisions nanométriques, une molécule unique (par exemple une protéine) marquée par fluorescence au sein d’un échantillon biologique épais et complexe. Pour cela, ils ont eu l’idée d’exploiter la phase de l’onde de la lumière de fluorescence, et non uniquement son intensité comme communément en microscopie de fluorescence. Cette technique d’auto-interférences lumineuses, baptisée SELFI, a permis de révéler, à des profondeurs jamais atteintes avec ces résolutions, des structures moléculaires en 3D au sein de tissus biologiques reconstitués à partir de cellules souches humaines (fig. 1). Avec cette nouvelle source de « contraste » de l’image, les chercheurs peuvent alors déterminer la localisation de la molécule dans la profondeur du tissu [1]. Cette nouvelle avancée en photonique ouvre des perspectives pour la médecine régénérative ou le diagnostic médical, où le besoin de comprendre la localisation en 3D de molécules (au sein d’organes, dans des échantillons de biopsies...) est un enjeu majeur de la recherche d’aujourd’hui. [1] P.Bon et al., «Self-interference 3D super-resolution microscopy for deep tissue investigations», Nature Methods 15 (2018) 449-454. Contacts Pierre Bon (pierre.bon@u-bordeaux.fr) et Laurent Cognet (laurent.cognet@u-bordeaux.fr) LP2N. Reflets de la Physique n°59 35



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