Qu'il s'agisse de pétrole jaillissant de pipelines ou de sang circulant dans les artères, la façon dont les liquides s'écoulent dans les tubes est peut-être le problème le plus fondamental de l'hydrodynamique. Le défi est de maximiser l'efficacité du transport en réduisant au minimum la perte d'énergie de frottement entre le liquide en mouvement et les surfaces des tubes fixes. Contre-intuitivement, en ajoutant une petite quantité de gros, polymères à déplacement lent vers le liquide, formant ainsi un "liquide complexe, " conduit à plus rapide, transports plus efficaces. Ce phénomène a été supposé provenir de la formation d'une couche mince autour de la paroi interne du tube, connue sous le nom de couche d'appauvrissement ou couche fendue, dans laquelle la concentration en polymère était significativement plus faible que dans la solution en vrac. Cependant, étant donné la minceur intrinsèque de cette couche, qui n'a que quelques nanomètres d'épaisseur, de l'ordre de la taille du polymère, l'observation expérimentale directe était difficile, et ainsi les progrès dans le domaine reposaient fortement sur des mesures globales et des simulations informatiques.

Chercheurs du Centre de la Matière Douce et Vivante, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS, Corée du Sud), a fait une avancée significative dans le domaine en imageant avec succès la couche d'appauvrissement dans des solutions de polymère circulant à travers des microcanaux. Leur étude, publié dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , s'est appuyé sur le développement d'une nouvelle technique de microscopie à super-résolution qui a permis aux chercheurs de voir cette couche avec une résolution spatiale sans précédent.

La première observation de ce phénomène remonte à près d'un siècle. Des études expérimentales sur des solutions de polymère de poids moléculaire élevé ont révélé une observation déroutante :il y avait un écart apparent entre la viscosité mesurée de la solution de polymère et la vitesse à laquelle elle s'écoulait à travers un tube étroit. La solution de polymère s'écoulerait toujours plus rapidement que prévu. Par ailleurs, plus le tube est étroit, plus cet écart est grand. Cela a suscité un intérêt qui persiste à ce jour.

"La dynamique de la couche d'épuisement était un problème que nous avons trouvé très intéressant, mais il était difficile de progresser avec les techniques expérimentales actuelles, " dit John T. King, l'auteur correspondant de l'étude. "Nous savions que la première étape devait être le développement d'une technique qui pourrait fournir de nouvelles informations."

Fort de son expertise en microscopie super-résolution, Parc Seongjun, le premier auteur de l'étude, a développé une nouvelle adaptation de la microscopie à déplétion par émission stimulée (STED) qui a une résolution spatiale et une sensibilité au contraste suffisantes pour observer directement les couches de déplétion. À la fois, Anisha Shakya, le co-auteur de l'étude, a appliqué ses connaissances en physique des polymères pour optimiser un système d'imagerie approprié. L'équipe a décidé que la meilleure approche serait d'appliquer l'imagerie d'anisotropie STED nouvellement développée à une solution de polymère de poids moléculaire élevé, sulfonate de polystyrène (PSS), circulant à travers des canaux microfluidiques de silice de 30 µm de large.

Le comportement du PSS a été suivi à l'aide de colorants fluorescents. Les interactions transitoires entre les chaînes latérales du PSS et le colorant ralentissent le mouvement de rotation de la molécule de colorant. Ces petits changements révèlent la position et la concentration du PSS avec une résolution spatiale de 10s de nanomètres.

Les chercheurs ont d'abord confirmé la formation de couches d'appauvrissement au niveau de la paroi et mesuré que les dimensions de la couche d'appauvrissement correspondaient à la taille du PSS. Ils ont ensuite observé que l'épaisseur de la couche d'appauvrissement se rétrécissait lorsque la solution commençait à s'écouler. De façon intéressante, les modifications de la dimension de la couche d'appauvrissement n'apparaissent qu'après un débit critique qui correspond aux modifications connues de la conformation du polymère. Ce fut la première confirmation expérimentale directe de ce phénomène, qui a été prédit à partir de simulations de dynamique moléculaire il y a des années.

Étonnamment, il a également été observé que des changements dans la composition de la couche d'appauvrissement se produisent à des débits étonnamment faibles. En particulier, les segments de polymère sont éloignés du mur, laissant un solvant presque pur, sans polymères, près du mur. Cela peut être attribué aux forces de portance hydrodynamiques, comme la portance aérodynamique dans les avions, qui résultent d'un écoulement asymétrique au mur. Alors que la portance hydrodynamique a été bien caractérisée dans les simulations informatiques, et observé dans les systèmes macroscopiques, (par exemple, les plies luttent mieux contre ce soulèvement que les autres animaux en raison de leur forme plus plate), les observations expérimentales directes à des échelles de longueur nanoscopiques sont restées insaisissables.

Il est prévu que cette approche prometteuse puisse fournir de nouvelles informations sur les fluides complexes sous écoulement dans différents régimes, comme un écoulement turbulent, comme ce que l'on voit dans les rivières au courant rapide, ou s'écouler à travers des dispositifs nanofluidiques.