Dans de nombreux procédés industriels, comme dans les bioréacteurs qui produisent des carburants ou des produits pharmaceutiques, la mousse peut gêner. Les bulles mousseuses peuvent prendre beaucoup de place, limiter le volume disponible pour fabriquer le produit et parfois encrasser les tuyaux et les vannes ou endommager les cellules vivantes. Les entreprises dépensent environ 3 milliards de dollars par an en additifs chimiques appelés antimousse, mais ceux-ci peuvent affecter la pureté du produit et peuvent nécessiter des étapes de traitement supplémentaires pour leur élimination.

Maintenant, les chercheurs du MIT ont mis au point un peu coûteux, et système complètement passif pour réduire ou éliminer l'accumulation de mousse, en utilisant des feuilles de maille spécialement texturées qui attirent les bulles et qui font s'effondrer les bulles aussi vite qu'elles se forment. Le nouveau procédé est décrit dans la revue Interfaces de matériaux avancées , dans un article du récent diplômé Leonid Rapoport Ph.D. '18, étudiant invité Theo Emmerich, et professeur de génie mécanique Kripa Varanasi.

Le nouveau système utilise des surfaces que les chercheurs appellent « aérophiles, " qui attirent et libèrent des bulles d'air ou de gaz de la même manière que les surfaces hydrophiles (qui attirent l'eau) font que des gouttelettes d'eau s'accrochent à une surface, étaler, et tombe, Varanasi explique.

"Les mousses sont partout" dans les process industriels, il dit, y compris le brassage de la bière, fabrication de papier, production et traitement de pétrole et de gaz, production de biocarburants, fabrication de shampoings et cosmétiques, et le traitement chimique.

Aussi, « C'est l'un des enjeux majeurs de la culture cellulaire ou des bioréacteurs, " ajoute-t-il. Pour favoriser la croissance cellulaire, divers gaz sont généralement diffusés à travers l'eau ou un autre milieu liquide. Mais cela peut conduire à une accumulation de mousse, et lorsque les minuscules bulles éclatent, elles peuvent produire des forces de cisaillement qui peuvent endommager ou tuer les cellules, le contrôle de la mousse est donc essentiel.

La façon habituelle de traiter le problème de la mousse est d'ajouter des produits chimiques tels que des glycols ou des alcools, qui doivent généralement être à nouveau filtrés. Mais cela ajoute des coûts et des étapes de traitement supplémentaires, et peut affecter la chimie du produit. Donc, l'équipe a demandé, « Comment se débarrasser des mousses sans avoir à ajouter de produits chimiques ? C'était notre défi, " dit Varanasi.

Pour s'attaquer au problème, ils ont créé une vidéo à haute vitesse afin d'étudier comment les bulles réagissent lorsqu'elles frappent une surface. Ils ont découvert que les bulles ont tendance à rebondir comme une balle en caoutchouc, rebondir plusieurs fois avant de finir par se coller, tout comme les gouttelettes de liquide le font lorsqu'elles frappent une surface, seulement à l'envers. (Les bulles montent, donc ils rebondissent vers le bas.)

"Afin de capturer efficacement la bulle impactante, il fallait comprendre comment s'écoule le film liquide qui le sépare de la surface, " dit Rapoport. " Et nous avons dû commencer à la case départ car il n'y avait même pas de métrique établie pour mesurer la capacité d'une surface à capturer les bulles d'impact. Finalement, nous avons pu comprendre la physique derrière ce qui fait rebondir une bulle, et cette compréhension a guidé le processus de conception."

L'équipe a mis au point un appareil plat doté d'un ensemble de textures de surface soigneusement conçues à diverses échelles de taille. La surface a été réglée pour que les bulles adhèrent tout de suite sans rebondir, et s'étalent et se dissipent rapidement pour faire place à la prochaine bulle au lieu de s'accumuler sous forme de mousse.

"La clé pour capturer rapidement les bulles et contrôler la mousse s'est avérée être un système à trois couches avec des caractéristiques de tailles de plus en plus fines, " dit Emmerich. Ces caractéristiques aident à piéger une très fine couche d'air le long de la surface d'un matériau. Cette surface, connu sous le nom de plastron, a des similitudes avec la texture de certaines plumes des oiseaux plongeurs qui aident à garder les animaux au sec sous l'eau. Dans ce cas, le plastron aide à faire coller les bulles à la surface et à se dissiper.

L'effet net est de réduire au centuple le temps qu'il faut pour qu'une bulle adhère à la surface, dit Varanasi. Dans les essais, le temps de rebond a été réduit de quelques centaines de millisecondes à quelques millisecondes.

Pour tester l'idée en laboratoire, l'équipe a construit un appareil contenant une surface de capture de bulles et l'a inséré dans un bécher traversé par des bulles. Ils ont placé ce bécher à côté d'un bécher identique contenant de la mousse moussante avec une feuille de la même taille, mais sans le matériau texturé. Dans le bécher avec la surface de capture des bulles, la mousse s'est rapidement dissipée jusqu'à presque rien, tandis qu'une couche complète de mousse est restée en place dans l'autre bécher.

De telles surfaces de capture de bulles pourraient facilement être adaptées à de nombreuses installations de traitement industriel qui reposent actuellement sur des produits chimiques antimousse, dit Varanasi. Il a émis l'hypothèse qu'à plus long terme, une telle méthode pourrait même être utilisée comme un moyen de capturer le méthane suintant de la fonte du pergélisol à mesure que le monde se réchauffe. Cela pourrait à la fois empêcher une partie de ce puissant gaz à effet de serre de se retrouver dans l'atmosphère, et en même temps fournir une source de carburant. À ce stade, cette possibilité est « tarte dans le ciel, " il dit, mais en principe ça peut marcher.

Contrairement à de nombreux développements technologiques, ce système est suffisamment simple pour être facilement mis en œuvre, dit Varanasi. "C'est prêt à partir. … Nous sommes impatients de travailler avec l'industrie."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.