Des chercheurs de Stanford et de l’Université de Naples qui étudient la formation et l’éclatement des bulles utilisent des caméras à grande vitesse et une modélisation analytique pour révéler un nouveau processus d’éclatement.
L’industrie pétrolière, les sociétés pharmaceutiques et les fabricants de bioréacteurs sont tous confrontés à un ennemi commun : les bulles. Des bulles peuvent se former lors de la fabrication ou du transport de divers liquides, et leur formation et leur rupture peuvent entraîner des problèmes importants de qualité du produit.
Inspirée par ces problèmes et la physique déroutante derrière les bulles, une collaboration scientifique internationale est née. L’ingénieur chimiste de l’Université de Stanford, Gerald Fuller, ainsi que ses doctorants Aadithya Kannan et Vinny Chandran Suja, ainsi que le doctorant invité Daniele Tammaro de l’Université de Naples, se sont associés pour étudier comment différents types de bulles éclatent.
Une nouvelle étude révèle que les bulles viscoélastiques qui ne sont ni parfaitement liquides ni huileuses ressemblent à des fleurs épanouies lorsqu’elles éclatent, comme le montre cette photo prise par une caméra à grande vitesse. Crédit image: Fuller Lab
Les chercheurs se sont particulièrement intéressés aux bulles contenant des protéines incrustées à leur surface, ce qui est courant dans l’industrie pharmaceutique et dans les bioréacteurs utilisés pour la culture cellulaire. Dans un résultat inattendu, les chercheurs ont découvert que les bulles de protéines qu’ils étudiaient s’ouvraient comme des fleurs lorsqu’elles éclataient avec une aiguille. Leurs résultats sont détaillés dans une étude publiée dans le journal of the Actes de l’Académie nationale des sciences.
« Ce qui me frappe vraiment, c’est que même après toutes ces années de recherche, la physique des bulles continue de nous surprendre avec des phénomènes d’une beauté inattendue », a déclaré Suja.
Faire éclater la bulle
Les bulles peuvent éclater de différentes manières, en fonction de leurs propriétés physiques et chimiques. Une propriété importante est appelée viscoélasticité.
Dans cette comparaison, la différence flagrante entre l’éclatement des bulles de savon et des bulles de protéines est démontrée. Crédit image: Fuller Lab
« La plupart des matériaux qui nous entourent ne sont en fait pas parfaitement liquides comme l’eau ou l’huile d’olive. Ils ne sont pas non plus parfaitement élastiques, comme une gomme à crayon. Ils se situent quelque part entre les deux », a expliqué Fuller, professeur Fletcher Jones II à l’École d’ingénierie et co-dirigé l’étude avec le professeur Pier Luca Maffettone de l’Université de Naples.
Cet état « intermédiaire » est appelé viscoélasticité, et les chercheurs ont découvert que, contrairement aux bulles de savon conventionnelles, les bulles viscoélastiques qui ont à la fois des propriétés liquides et solides se déforment et prennent des formes qui imitent une fleur épanouie.
Mais comme le note Tammaro, « Avec nos yeux, il n’est pas possible de voir comment le trou s’ouvre lorsqu’une bulle éclate, alors nous voyons juste une bulle qui disparaît. »
Les chercheurs ont donc utilisé des caméras à grande vitesse fonctionnant à 20 000 images par seconde, plus de 300 fois plus rapides qu’un œil humain, pour capturer et étudier le phénomène.
« Alors que je travaillais sur ma thèse sur la coalescence des bulles dans les formulations de médicaments biologiques, j’ai décidé d’examiner la rupture des bulles à l’aide d’une caméra à grande vitesse que nous avions dans notre laboratoire », a déclaré Kannan. « Quand nous avons fait cela, nous avons vu que cette bulle, qui avait des protéines à sa surface, présentait en fait un mécanisme de rupture très différent de ce à quoi nous nous attendions traditionnellement. »
En laboratoire, les chercheurs ont trempé un anneau métallique dans une solution de protéines aux propriétés viscoélastiques. Ils ont ensuite soigneusement gonflé des bulles sur cet anneau à l’aide d’un flux d’air hautement contrôlé. Une fois que les bulles étaient suffisamment grosses, elles sont entrées en contact avec une aiguille suspendue et ont éclaté.
Comme le montre la vidéo, lorsque les bulles atteignent l’aiguille, la surface se décolle comme des pétales. Ce pelage se produit parce que les propriétés viscoélastiques à la surface permettent à la solution d’avoir des caractéristiques plus solides que les bulles de savon courantes. Kannan a comparé cette bulle spéciale qui éclate à un ballon qui éclate, qui se décolle aussi comme une fleur.
Enquêter sur la physique des bulles
Une fois le phénomène de floraison suffisamment observé, les chercheurs ont commencé à développer des modèles analytiques de l’éclatement. En utilisant les connaissances actuelles de la dynamique des bulles et des modèles mathématiques, l’équipe a présenté un ensemble de reproductions informatiques prometteuses de la floraison des bulles dans leur article.
En étudiant la formation et l’éclatement des bulles, l’équipe espère éventuellement apprendre à réduire la génération et l’éclatement des bulles dans les applications du monde réel. Ils prédisent que leurs découvertes auront des applications dans des domaines allant de la production de médicaments et de vaccins au transport de pétrole.
« Il est vraiment important de voir à quel point cela est généralisable et en quoi la floraison est différente pour d’autres systèmes », a conclu Kannan.
La source: Université de Stanford
