Figure 1 :Évolution de la biréfringence (en haut) et des schémas d'écoulement (en bas) à mesure que le débit augmente de gauche à droite. Le flux entre dans la jonction à 4 voies par les canaux supérieur et inférieur et sort par les canaux gauche et droit. À faible débit (à gauche), le débit est stable et symétrique. Au fur et à mesure que le débit augmente, la biréfringence indique un étirement du polymère et les schémas d'écoulement deviennent de plus en plus déformés. Crédit :Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
Les fluides tels que l'eau sont newtoniens, et leur comportement visqueux est bien compris. Cependant, de nombreux fluides courants sont "viscoélastiques". Ces fluides, tels que ceux que l'on trouve couramment dans les cosmétiques, savons et peintures, posséder une combinaison de visqueux, liquide et élastique, propriétés de type solide et nous en savons étonnamment peu sur la façon dont ils s'écoulent.
Bien qu'ils ne sachent pas grand-chose de leurs propriétés d'écoulement, les fabricants ajoutent ces fluides à de nombreux types de produits de tous les jours. Sans fluides viscoélastiques, la vie serait bien différente. Nous ne serions pas en mesure de profiter de la mousse riche des shampooings, ni la texture moelleuse d'un bonbon gommeux, ni le confort élastique d'une chaussure de sport bien construite.
Pour mieux comprendre ces fluides, des chercheurs de l'unité Micro/Bio/Nanofluidique de l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) étudient les propriétés d'écoulement et le comportement de différents fluides viscoélastiques. Prof. Amy Shen, chef d'unité, et le Dr Simon Haward, le chef de groupe de l'unité, étudient deux types spécifiques de liquides couramment utilisés dans les produits manufacturés :les solutions de polymères et les solutions de « polymères vivants ».
Les polymères sont de longues molécules composées de sous-unités répétitives. Les solutions polymères ont un large éventail d'applications, notamment dans la formulation des aliments, encres, des peintures et même des fluides prothétiques tels que des collyres et de la salive artificielle. Pendant l'écoulement, ces longues molécules de polymère peuvent s'étirer comme des élastiques, qui donnent au fluide son élasticité.
Figure 2 :Une solution micellaire viscoélastique s'écoule autour d'un cylindre dans un microcanal droit, dans des conditions dominées par l'élasticité des fluides. Barre d'échelle :200 µm (0,2 mm). Crédit :Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University - OIST
Dans une étude collaborative avec le professeur Gareth McKinley, chercheur au Massachusetts Institute of Technology, Shen et Haward ont observé les schémas d'écoulement d'une série de solutions de polymères viscoélastiques à travers une jonction à 4 voies (Figure 1). En utilisant une technique appelée biréfringence induite par le flux, ils ont montré qu'au fur et à mesure que le débit à travers la jonction augmentait, les molécules de polymère se sont fortement étirées en un brin étroit passant par le centre de la jonction. La biréfringence induite par l'écoulement est causée par de petits changements mesurables dans la réfraction de la lumière traversant un liquide lorsqu'il est amené à s'écouler. Ces changements de réfraction de la lumière sont directement corrélés aux contraintes élastiques dans le fluide en écoulement. Les chercheurs ont découvert que la forte élasticité du brin biréfringent provoquait de graves distorsions des schémas d'écoulement observés. L'augmentation du débit a en outre conduit à l'apparition de grandes fluctuations ou instabilités dans les modèles d'écoulement.
Ces expériences ont permis aux chercheurs de montrer que le mécanisme d'apparition de l'instabilité dans cet écoulement d'étirement est cohérent avec celui des instabilités viscoélastiques dans d'autres, types de flux plus simples. Dans un tuyau courbe, par exemple, le début de l'instabilité peut être assez bien prédit en fonction des conditions géométriques précises et des propriétés du fluide. Cependant, jusqu'à présent, il n'a jamais été démontré que des prédictions similaires peuvent être appliquées à des écoulements d'étirement.
De nombreux procédés industriels, comme l'extrusion, filature de fibres et impression jet d'encre, impliquent l'étirement des flux de fluides viscoélastiques. Les instabilités de flux ont généralement un effet néfaste sur la qualité des produits finis et limitent ainsi directement les cadences auxquelles de tels procédés peuvent être réalisés. La capacité de prédire l'apparition d'instabilités dans de tels flux peut aider à optimiser les taux de traitement et à obtenir des produits finaux supérieurs. Les résultats de l'étude sont publiés dans la revue en libre accès Nature Publishing Rapports scientifiques .
L'Unité Micro/Bio/Nanofluidique étudie également les flux de « polymères vivants ». Comme les polymères, ces matériaux forment de longues chaînes d'unités répétitives multiples, mais contrairement aux polymères, ces unités ne sont pas liées chimiquement entre elles, mais compter sur d'autres forces pour la cohésion. Les micelles vermiformes (WLM), un type de « polymère vivant », forme longue, agrégats en forme de bâtonnets suspendus dans une solution. Comme pour les polymères, ces matériaux ont de nombreuses applications industrielles, y compris en tant qu'additifs dans les shampooings et les cosmétiques et en tant que matériaux pour améliorer la récupération du pétrole et du gaz (EOR).
