Que ce soit en buvant de la bière, manger des glaces ou faire la vaisselle, il est juste de dire que de nombreuses personnes rencontrent de la mousse au quotidien. C'est dans tout, des détergents aux boissons en passant par les cosmétiques. En dehors de la vie quotidienne, il a des applications dans des domaines tels que la lutte contre les incendies, isoler les matières toxiques et distribuer les produits chimiques. Mais il reste encore beaucoup à apprendre sur ce matériau omniprésent.

"Les mousses sont les matériaux désordonnés aléatoires idéaux de la nature, " a déclaré Douglas Durian, professeur de physique à la School of Arts and Sciences de l'Université de Pennsylvanie. « Solides commandés, matériaux avec une structure cristalline en dessous, sont faciles à décrire. Où l'on ne sait pas grand chose, mais sont encore en train d'apprendre, est dans des systèmes désordonnés et éloignés de l'équilibre, et c'est ça pour un T. Vous pourriez peut-être faire une mousse ordonnée en soufflant des bulles individuelles de la même taille et en les empilant comme des boulets de canon, mais vous seriez obligé de faire une petite erreur. Si une bulle est infiniment plus petite que toutes les autres, ce sera sous une pression plus élevée, et ça va commencer à rétrécir. Il évolue naturellement vers cet état désordonné où il est polydispersé, et c'est juste magnifique."

Les mousses étant souvent utilisées dans l'industrie, parvenir à une meilleure compréhension fondamentale du matériau permettra de contrôler sa stabilité, en le manipulant pour qu'il dure plus longtemps afin qu'il puisse mieux remplir sa fonction. Cela pourrait également le déstabiliser et l'empêcher de surgir dans des endroits indésirables. Par exemple, chaque fois que l'on doit traiter des liquides dans l'industrie, la vitesse à laquelle cela se fait est limitée par la formation de mousse.

Regarder un film en accéléré d'une mousse quasi bidimensionnelle, on peut remarquer qu'il évolue dans le temps, les bulles individuelles au sein de la forme changeant lentement. Finalement, la taille moyenne des bulles dans la mousse augmente, un phénomène appelé grossissement. Ce grossissement fournit à la mousse un moyen de se débarrasser de la surface. Durian et Cody Schimming, une majeure en physique de Penn et maintenant un étudiant diplômé à l'Université du Minnesota, ont publié un article dans Examen physique E qui étudie comment le degré d'humidité d'une mousse affecte ce phénomène.

Pour comprendre cela, on peut penser à un mélange d'eau et de savon. Si l'on mettait un peu de shampoing ou de détergent dans une bouteille d'eau avec quelques gouttes de colorant alimentaire jaune et secouait, la bouteille se remplirait rapidement de mousse.

« Si vous le regardez de près, " Durian a dit, "vous verriez que les minuscules bulles étaient très vaporeuses et sèches et en quelque sorte polyédriques en haut. En descendant, vous verriez plus de couleur parce qu'il y a plus de liquide dedans. Vous remarquerez également que les bulles vers le bas là où c'est plus jaune sont en fait plus rondes. Donc, ils passent d'être bloqués et polyédriques à essentiellement non bloqués et sphériques vers le bas."

Fermer la mousse serait sèche et vaporeuse vers le haut, composé de petits bâtons, appelé Bords du Plateau, où trois films se rencontrent. Au fur et à mesure que la mousse devient plus humide vers le bas, ces bâtons s'épaississent jusqu'à ce qu'ils commencent à devenir sphériques. Cette gradation de la structure, Durian a dit, est le même quel que soit le contenu de la mousse ou la taille des bulles.

Tandis que le temps passe, de plus en plus de liquide s'accumulera au fond de la bouteille. Il existe trois mécanismes différents qui provoquent la séparation du gaz et du liquide. L'un d'eux est la rupture du film, ou des bulles éclatent. Parce que ce processus est causé par l'évaporation, cela ne se produira pas dans la bouteille scellée. Le deuxième mécanisme est le drainage gravitationnel :la gravité tire le liquide vers le bas et les bulles montent. C'est ce qui cause la séparation dans la bouteille.

Mais il serait possible d'éliminer le drainage gravitationnel si la mousse était placée dans un environnement de microgravité, comme celui de la Station spatiale internationale. Dans ce cas, le grossissement devient le coupable car le gaz se diffuse des petites bulles à haute pression dans les plus grosses bulles à basse pression.

"Ce que les gens pensaient, " dit Durian, "était que ces frontières du Plateau bloqueraient totalement la diffusion du gaz, et que la diffusion de gaz ne traverserait que les fenêtres du film de savon. Ce que Cody a fait, c'est qu'il a en fait résolu numériquement l'équation de diffusion pour comprendre ce qui se passe à l'intérieur de ces frontières du Plateau. Vous pouvez deviner que le courant de diffusion du gaz à travers les frontières du Plateau est proportionnel à l'inverse de leur épaisseur et est donc négligeable. Mais Cody a montré que c'est en fait proportionnel à l'inverse de la racine carrée du produit de l'épaisseur de la bordure et de l'épaisseur du film. Puisque les films sont si minces, le courant de gaz franchissant la frontière est donc loin, bien plus grand qu'on ne l'avait supposé."

Les chercheurs ont appliqué ce qu'ils ont découvert à une loi pour le taux de changement pour la surface de la bulle par le mathématicien et physicien John von Neumann. Selon la loi de von Neumann, le taux de changement de surface est égal au nombre de côtés moins six. On pourrait s'attendre à ce que la vitesse à laquelle la bulle échange du gaz avec ses voisins dépende de facteurs tels que sa taille et sa forme, mais, selon la loi de von Neuman, la topologie est la seule chose qui est importante. Dans leur papier, Durian et Schimming ont revisité cet argument et incorporé ce qu'ils ont appris sur le blocage et le passage des frontières pour voir comment il est modifié.

"Il y a ces trois mécanismes et nous essayons de comprendre les fondamentaux de leur fonctionnement, " a déclaré Durian. "Nous avons une bonne image de la loi de von Neumann sur la façon dont les mousses sèches grossissent. La loi de von Neumann ne s'applique qu'à cette limite idéale qu'il n'y a aucun liquide. Mais aucune mousse n'est mathématiquement sèche. Les vraies mousses contiennent beaucoup de liquide, donc tous ces mécanismes sont modifiés d'une manière cruciale, et nous essayons de comprendre comment cela se passe. Si vous comprenez les fondamentaux, alors il devrait être possible d'améliorer toutes ces applications où il est si important de pouvoir contrôler exactement à quelle vitesse le grossissement a lieu."

Durian a dit qu'il aimait étudier les mousses parce que, contrairement à d'autres systèmes éloignés de l'équilibre, l'historique de préparation n'a pas d'importance.

"Je peux faire de la mousse n'importe comment et si j'attends un peu, ça effacera son histoire, " a-t-il dit. " Il a sa propre évolution qui nous amène à cet état reproductible, c'est donc une manière d'obtenir un matériau désordonné parfaitement reproductible. J'aime aussi que la physique soit contrôlée par la géométrie. Ces films de savon sont des surfaces minimales à courbure constante. Il existe des règles de topologie pour la façon dont les films sont connectés, la géométrie et la topologie de la microstructure sont donc régies par de belles mathématiques. Indépendamment de la taille de la bulle ou de la composition chimique, ce sont juste des matériaux aléatoires merveilleusement idéaux auxquels penser. "