Une étude inspirée par des artistes de rue fabriquant de gigantesques bulles de savon a conduit à une découverte en mécanique des fluides :le mélange de différentes tailles moléculaires de polymères dans une solution augmente la capacité d'un film mince à s'étirer sans se rompre.

Le journal Liquides d'examen physique a publié les résultats de l'étude menée par des physiciens de l'Université Emory. Les résultats pourraient potentiellement conduire à l'amélioration des processus tels que l'écoulement des huiles à travers les tuyaux industriels et l'élimination des mousses polluantes dans les ruisseaux et les rivières.

Les résultats ont également des implications pour les amateurs de soufflage de bulles d'arrière-cour.

"Cette étude met définitivement le plaisir dans la science fondamentale, " dit Justin Burton, professeur agrégé de physique à l'Université Emory et auteur principal de l'article.

La dynamique des fluides est l'un des objectifs du laboratoire de Burton. "Les processus de la dynamique des fluides sont visuellement beaux et ils sont partout sur notre planète, de la formation et l'éclatement des gouttelettes et des bulles à l'aérodynamique des avions et au renversement en haute mer des océans du monde, " il dit.

Alors que Burton était à Barcelone pour une conférence il y a quelques années, il a vu des artistes de rue faire d'énormes bulles à l'aide d'une solution savonneuse et d'un fil de coton épais. "Ces bulles avaient à peu près le diamètre d'un cerceau et la longueur d'une voiture, " se souvient-il. " Ils étaient aussi beaux, avec des changements de couleur du rouge au vert en passant par des tons bleutés à leur surface."

Cet effet arc-en-ciel montre que l'épaisseur d'un film est comparable à la longueur d'onde de la lumière, ou juste quelques microns, il explique.

L'observation de la performance a suscité une question de physique dans l'esprit de Burton :comment un film aussi microscopiquement mince a-t-il pu maintenir son intégrité sur une si grande distance sans se briser ? Il a commencé à enquêter, à la fois dans son jardin et dans son laboratoire.

Alors que Burton recherchait des recettes de bulles, il est tombé sur le wiki Soap Bubble, un en ligne, projet open source. Le wiki déclare qu'il vise à aider les "bulleurs" à créer "la bulle parfaite" en séparant les faits du folklore concernant les recettes et les ingrédients de fabrication de bulles de savon.

En plus de l'eau et du liquide vaisselle, les recettes de Soap Bubble Wiki comprenaient généralement un polymère, une substance composée de longues chaînes de molécules répétitives. Les polymères les plus courants dans les recettes étaient le guar naturel, une poudre utilisée comme additif dans certains aliments, ou polyéthylène glycol industriel (PEO), un lubrifiant utilisé dans certains médicaments. Guidé par les recommandations du wiki, Burton a mené des expériences en laboratoire avec deux étudiants co-auteurs diplômés depuis :Stephen Frazier, qui a obtenu une maîtrise en physique en mai et est premier auteur, et de premier cycle Xinyi Jiang.

"Nous avons essentiellement commencé à faire des bulles et à les faire éclater, et enregistré la vitesse et la dynamique de ce processus, " dit Burton. " Se concentrer sur un fluide à ses moments les plus violents peut vous en dire beaucoup sur sa physique sous-jacente. "

Les films de savon absorbent la lumière infrarouge, les chercheurs l'ont donc fait briller à travers les bulles pour mesurer l'épaisseur des films. Ils ont également mesuré les poids moléculaires des différents polymères qu'ils ont utilisés dans les recettes de bulles. Et ils laissent la gravité tirer les gouttelettes des différents films de savon d'une buse, afin de mesurer combien de temps le fil de liquide résultant pourrait s'étirer entre la buse et la gouttelette avant de se rompre.

Les résultats ont révélé que les polymères étaient l'ingrédient clé pour faire des bulles colossales. Le long, les brins fibreux de polymères permettent aux bulles de s'écouler en douceur et de s'étirer davantage sans éclater.

"Les brins de polymère s'emmêlent, quelque chose comme une boule de poils, former des brins plus longs qui ne veulent pas se séparer, " explique Burton. " Dans la bonne combinaison, un polymère permet à un film de savon d'atteindre un « point doux » qui est visqueux mais aussi extensible, mais pas au point de se déchirer."

Le travail confirme ce que de nombreux « bulleurs » experts avaient déjà compris :une bonne recette de bulles de savon géantes devrait inclure un polymère.

"Nous avons fait de la physique pour expliquer pourquoi et comment les polymères peuvent étirer un film fluide jusqu'à 100 mètres carrés sans se rompre, " dit Burton.

Les physiciens ont également découvert que la variation de la taille moléculaire des polymères aidait à renforcer le film de savon. Cette découverte s'est produite par accident.

Les chercheurs ont travaillé sur le projet pendant plus d'un an et ont stocké des conteneurs de PEO qu'ils avaient achetés. Ils ont réalisé que le PEO provenant de conteneurs âgés d'environ six mois produisait des films à bulles de savon plus résistants que le PEO provenant de conteneurs utilisés lors de son achat. Après enquête, ils se sont rendu compte que les polymères du PEO vieilli s'étaient dégradés avec le temps, varier la longueur des brins moléculaires.

"Les polymères de tailles différentes s'enchevêtrent encore plus que les polymères de taille unique, renforcer l'élasticité du film, " dit Burton. " C'est une découverte fondamentale en physique. "

Comprendre comment les fluides et les couches minces réagissent au stress, Burton dit, pourrait conduire à un éventail d'applications, telles que l'amélioration de l'écoulement des matériaux industriels à travers les tuyaux, ou le nettoyage des mousses toxiques.

« Comme pour toute recherche fondamentale, tu dois suivre ton instinct et ton coeur, " Burton dit de son odyssée de bulle de savon. " Parfois votre bulle éclate, mais dans ce cas, nous avons découvert quelque chose d'intéressant."