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Transferts dans des suspensions colloïdales

Les émulsions (par exemple des gouttes d’huile dans l’eau) ne sont pas des systèmes thermodynamiquement stables. Un des mécanismes de déstabilisation implique le transfert de la phase émulsifiée à travers la phase continue. Nous avons mis au point un système original pour étudier ces transferts au sein d’émulsions d’huile en milieu aqueux. Pour cela, nous avons dispersé des gouttelettes d’alcane dans un fluide à seuil, ce qui permet de bloquer mécaniquement les gouttelettes et d’empêcher ainsi à la fois leur coalescence et leur crémage ; dans ces systèmes les seuls transferts de la phase huile en jeu ont lieu par « mûrissement » : l’huile est solubilisée dans la phase aqueuse et peut ensuite s’évaporer ou aller nourrir d’autres gouttelettes. Lorsque l’émulsion est en contact avec l’atmosphère, le mécanisme limitant l’évaporation de l’alcane est sa diffusion à travers la phase aqueuse (figure ci dessous). Par ailleurs, ces émulsions présentent un retard très important à l’ébullition : les gouttelettes restent à l’état liquide, même portées jusqu’à 50°C au dessus de la température d’ébullition de l’alcane ! Nous avons montré que ce retard est cinétique, et étudié la cinétique de formation de bulles. Lorsque la phase émulsifiée est un mélange de deux alcanes de différentes solubilités dans la phase aqueuse, les transferts de l’huile la plus soluble vers la phase aqueuse sont alors fortement ralentis par un effet de l’entropie de mélange. Dans ces différents cas, les transferts en jeu ont pu être modélisés avec succès.

Emulsion de pentane dans un fluide à seuil, mise en contact avec l’atmosphère et photographiée toutes les 45 minutes (a, b et c). Comme schématisé, un front net se forme, qui sépare les gouttelettes (à gauche), de la phase continue sans gouttelette, à partir de l’interface avec l’atmosphère (à droite, en noir).
 
Nous nous intéressons également aux effets du séchage sur des suspensions colloïdales. Dans certaines conditions l’évaporation d’une goutte de suspension conduit à la formation d’un tore par flambement de la surface solidifiée de la goutte. Nous avons montré que le développement de cette instabilité pouvait être contrôlé en modifiant les interactions colloïdales, et nous avons proposé une prédiction quantitative de la forme de la goutte après séchage à partir du potentiel d’interaction colloïdale.
 

Gouttes de suspension colloïdale après séchage. A gauche la goutte a gardé sa forme sphérique, à droite une coque solide s’est formée et a flambé.
 
Publications
 
Controlling the buckling instability of drying droplets of suspensions through colloidal interactions, E. Lintingre, G. Ducouret, F. Lequeux, L. Olanier, T. Périé and L. Talini, Soft Matter 11, 3660 (2015).
 
Retarded transfers of an emulsified two-component oil phase. J. Wang, J.B. d’Espinose, F. Lequeux, L. Talini, Phys. Rev. E 83, 031403 (2011).
 
Boiling of an emulsion in a yield stress fluid. G. Guéna, J. Wang, J.B. d’Espinose, F. Lequeux, L. Talini, Phys. Rev. E 82, 051502 (2010).
 
Evaporation of an emulsion trapped in a yield stress fluid. G. Guéna, J. Corde, S. Fouilloux, J.B. d’Espinose, F. Lequeux, L. Talini, Eur. Phys. J. E 28, 463 (2009).