Un bol d'eau saupoudré de flocons de poivre est prêt sur le plan de travail de la cuisine de Mahesh Bandi. Bandi, professeur de physique à l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), mouille le bout d'une baguette avec du savon liquide, amusement écrit sur son visage, et demande à ses convives leurs prédictions :que feront les flocons lorsque le savon touchera la surface de l'eau ?

Il touche la baguette à l'eau - tout à coup, les flocons fuient du centre du bol. Ceci n'est qu'un exemple très simple de l'effet Marangoni, que Bandi étudie dans son laboratoire à l'Unité Interactions collectives de l'OIST.

Signalé dès 1686, le phénomène résulte d'une différence de tension superficielle - la qualité qui fait qu'une surface liquide se comporte comme s'il s'agissait d'une membrane élastique étirée. La substance avec une tension superficielle plus élevée tire plus fortement que celle avec une tension superficielle plus faible, tirant le flux de liquide vers elle.

James Thompson, le frère aîné du physicien Lord Kelvin, décrit le phénomène en 1855 comme « les mouvements curieux couramment observés dans le film de vin adhérant à l'intérieur d'un verre à vin ». La même force permet aux arpenteurs d'eau de glisser le long de la surface d'un étang, et, comme le démontre Bandi, provoque le déplacement des flocons sur l'eau. Encore, malgré son omniprésence, l'effet Marangoni est insaisissable.

"Vous pouvez le voir dans votre cuisine, mais il est notoirement difficile à quantifier, " a déclaré Bandi. Dans une nouvelle étude publiée dans la revue Lettres d'examen physique , lui et ses collègues présentent une méthode pour y parvenir en étudiant le phénomène à travers trois mesures indépendantes différentes.

Le savon liquide fait plusieurs choses lorsqu'il touche un bol d'eau :une partie se répand à la surface de l'eau, tandis que certains commencent à se dissoudre dans l'eau. Les chercheurs ont découvert que ces facteurs, qui constituent ensemble l'effet Marangoni, peuvent survenir à des degrés divers.

Bandi et ses collègues ont travaillé à partir d'un modèle mathématique développé par le professeur de l'Université Brown, Shreyas Mandré, qui prédit comment un liquide comme l'eau interagit avec un tensioactif - un liquide comme le savon ou le détergent, qui ont une tension superficielle inférieure, introduit à sa surface. En utilisant une salle blanche sur mesure, les scientifiques de l'OIST ont effectué plusieurs expériences pour confirmer les prédictions sur la façon dont les liquides interagiraient.

Pour montrer le mouvement du liquide, les chercheurs ont utilisé un récipient rectangulaire rempli d'eau. Prochain, ils ont utilisé une seringue pour déposer du tensioactif, contenant également de minuscules particules, à l'interface air-eau - la surface exacte de l'eau.

Les chercheurs ont ensuite visualisé la vitesse des deux liquides à l'aide d'une technique appelée Velocimétrie Laser Doppler, qui détecte les changements de fréquence des ondes lumineuses lorsqu'un faisceau laser les frappe. Ils ont vérifié leurs résultats avec deux méthodes supplémentaires. Les scientifiques ont mesuré la propagation du surfactant à travers la couche limite et dans l'eau sous-jacente. Ils ont également mesuré la « contrainte de cisaillement » ou l'intensité avec laquelle le tensioactif entraîne l'eau.

Les chercheurs ont découvert qu'en utilisant leur modèle, ils pouvaient prédire de près la vitesse à laquelle un tensioactif se répandait. Leurs conclusions s'inscrivent dans l'un des deux scénarios suivants :selon que le tensioactif se dissout ou non, il se diffuse dans l'eau plus ou moins vite qu'il ne s'étend à la surface de l'eau.

Des travaux antérieurs avaient suggéré qu'un tensioactif se dissout dans l'eau plus rapidement qu'il ne se propage à la surface, mais la nouvelle étude démontre une image plus complexe de la façon dont la dissolution et la propagation du surfactant affectent le phénomène.

Les chercheurs ont découvert que cette mesure dépendait de la facilité de dissolution ou non du surfactant. Si c'est le cas, il s'est répandu dans l'eau plus rapidement qu'il ne s'est étendu à sa surface, et sinon, il diffuse moins vite qu'il ne s'étend.

L'étude franchit une nouvelle étape vers la compréhension d'un phénomène complexe et dynamique.

« La théorie est une approximation de la réalité, mais le monde réel est désordonné, " dit Bandi. Malgré tout, lui et ses collaborateurs ont pu prédire le comportement des liquides dans le monde réel — « preuve que la théorie fonctionne ».