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Des tensioactifs intelligents pour des bulles et des mousses contrôlables avec la lumière

Les mousses et les bulles de savon (tensioactif) sont éphémères et il est très difficile de prédire et contrôler leur durée de vie. Pourtant, selon les applications, il est nécessaire de contrôler cette durée de vie : des mois comme pour les mousses au chocolat dans un grand magasin, quelques minutes pour une mousse de shampooing. Parfois, on cherche à se débarrasser des mousses comme par exemple dans les stations d’épuration où de grandes quantités de mousses sales doivent être détruites avant de pouvoir traiter le liquide.

Pour stabiliser des mousses, on utilise des tensioactifs(*) qui viennent tapisser la surface des bulles et les protéger. La durée de vie d’une mousse dépend du type de tensioactifs utilisé et de sa formule chimique. A l’échelle microscopique, il faut voir les tensioactifs comme des molécules qui sont sans cesse heurtées par les molécules d’eau ce qui leur donne une certaine mobilité. Lorsque les tensioactifs arrivent près de la surface des bulles, ils peuvent s’y fixer, c’est l’adsorption. Une fois « adsorbés », les chocs avec les molécules d’eau peuvent provoquer leur désorption. Plus les tensioactifs sont hydrophobes, plus ils « collent » fortement à l’interface eau-air et la probabilité qu’ils se décollent est faible. Cette propriété influence la façon dont les parois des bulles résistent à l’éclatement ou à la déformation.

Au SIMM, nous avons développé un tensioactif photostimulable pour lequel nous avons étudié, en collaboration avec le département Matière Molle de l’Institut de Physique de Rennes, l’influence de la lumière UV sur la vitesse de drainage(**) de l’eau dans la mousse stabilisée avec ce tensioactif.

Pour cela, nous avons mis au point une technique qui permet de mesurer la quantité d’eau dans une colonne de mousse en fonction de la hauteur et du temps. Sans lumière, la quantité d’eau dans la mousse diminue avec le temps comme avec un tensioactif standard à cause du drainage. Dès que la lumière UV est allumée et focalisée sur une partie de la mousse, la quantité de liquide se met à augmenter dans la section éclairée, comme si la gravité n’agissait plus ! Nous avons réalisé l’expérience à l’échelle d’une vraie mousse mais aussi à l’échelle de 2 bulles d’air séparées par un film mince de liquide vertical (voir figure). Dans cette expérience, il est possible de visualiser l’écoulement de drainage de l’eau avec une caméra. Chaque couleur correspond à une épaisseur de film d’eau en fonction de la hauteur. Sans éclairement UV, la frange marron (qui correspond à 140nm, partie la plus épaisse) descend à cause de la gravité, le film s’affine. Sous éclairement UV, l’eau remonte dans le film de savon, le film se « regonfle ».

En analysant finement la vitesse de gonflement du film d’après les images, nous avons montré que les tensioactifs ne recouvrent pas les interfaces de manière homogène dans l’échantillon et que le liquide a tendance à être entrainé vers les zones pauvres en tensioactifs de manière à rééquilibrer la couverture des interfaces. Ainsi, la zone éclairée de la mousse où les tensioactifs se désorbent tend à se regonfler d’eau.

Il est donc possible de contrôler l’adsorption de ce nouveau tensioactif photosensible, la stabilité des bulles et l’écoulement dans les mousses, en jouant simplement sur l’intensité lumineuse. Ainsi, malgré le ralentissement provisoire du drainage, la mousse finit par casser à cause du fait que les tensioactifs quittent l’interface sous UV. D’un point de vue fondamental, la compréhension de ce comportement sous irradiation pourra permettre de mieux comprendre l’impact d’un changement de formulation de tensioactifs sur la stabilité d’une mousse. De plus, étant donné qu’il est possible de prédire et de contrôler des écoulements de liquides dans des géométries confinées, ce travail offre également des perspectives pour l’optimisation du transport de gouttes ou de particules sur micropuces pour le diagnostique médical par exemple.

Nous développons maintenant de nouveaux systèmes tensioactifs activables avec d’autres stimulations (température par exemple), à base de polymères ou de particules. Ces objets plus volumineux permettent de former des membranes rigides autour de gouttes ou de bulles. Nous espérons ainsi pouvoir agir sur la rigidité de la membrane formée avec un paramètre extérieur pour contrôler, par exemple, le relargage d’un principe actif.

(*) Les tensioactifs sont des molécules amphiphiles composées d’un côté « hydrophobe » qui n’aime pas l’eau et un côté « hydrophile » qui aime l’eau : elles viennent donc spontanément se fixer aux interfaces entre l’eau et l’air.

(**) Le drainage correspond l’écoulement de l’eau entre les parois des bulles, dû à la gravité, qui tend à assécher la mousse et à la fragiliser. En général, ralentir le drainage permet d’augmenter la durée de vie de la mousse.

  • a. Schéma du dispositif expérimental et du phénomène : un film mince vertical est illuminé avec l’UV et filmé avec une caméra. Les flèches indiquent que le liquide remonte dans le film lorsque l’UV est allumé.
  • b. Photo du film : à t=0 secondes, le film est non éclairé en UV, il est très fin en haut (couleur grise) et plus épais en bas. Les franges brunes et bleues correspondent à des épaisseurs de 140 et 150 nm. Quelques secondes après avoir allumé l’UV, la frange brune remonte dans le film et d’autres franges colorées apparaissent, signe que le liquide remonte dans le film.

En ligne dans la revue Soft Matter
Eloise Chevallier, Arnaud Saint-Jalmes, Isabelle Cantat, François Lequeux, Cécile Monteux
Light induced flows opposing drainage in foams and thin-films using photosurfactants
Soft Matter. 2013