Une photo de couverture récente sur Science dépeint une bulle au milieu de l'effondrement, sur la base d'une étude menée par Alexandros T. Oratis et al. L'équipe de recherche en génie mécanique, mathématiques et ingénierie aérospatiale à l'Université de Boston, Le MIT et l'Université de Princeton ont démontré la formation de motifs ondulatoires intrigants lorsque les bulles s'effondraient. En utilisant une configuration d'éclairage complexe et une vitesse d'obturation rapide en laboratoire, parfaitement aligné pour capturer un instant fugace, en une seconde, ils ont photographié la minuscule bulle émergeant du milieu environnant d'huile de silicone dense.

La rupture et l'effondrement des bulles visqueuses sont très répandus dans la nature et dans les applications industrielles. Le phénomène s'accompagne de feuillets élastiques qui développent des rides radiales. Alors que le poids du film semblait jouer un rôle dominant lors de l'effondrement du film et de l'instabilité des plis, dans ce travail, la gravité semblait jouer un rôle étonnamment négligeable. Basé sur la mécanique des fluides des phénomènes, Oratis et al. a montré que la tension superficielle était le facteur déterminant pendant l'effondrement pour initier l'instabilité dynamique de flambement et le comportement de plissage, accompagné de la rupture des films visqueux et viscoélastiques incurvés. Les travaux de recherche sont pertinents pour comprendre les applications industrielles et chimiques, y compris la production d'aérosols à partir d'événements d'expiration dans les voies respiratoires.

Le froissement des feuilles minces

Comprendre la formation des bulles est important en raison de leur omniprésence dans la nature et des applications industrielles, y compris la collecte des bulles lors de la fabrication du verre, peinture aérosol, l'évacuation des déchets radioactifs et dans les éruptions volcaniques. Les feuilles élastiques peuvent se froisser sous la contrainte de compression car elles nécessitent moins d'énergie pour se déformer que pour se compresser. Dans des études récentes, les chercheurs se sont concentrés sur la compréhension des déformations de flexion qui se produisent lorsqu'une mince feuille élastique est étirée, piquer, ou enroulé autour d'un objet incurvé. De la même manière, les liquides visqueux peuvent également se déformer dans un processus observé comme « l'instabilité du parachute » lorsqu'une bulle montante atteint la surface pour se rompre. Après avoir fait surface, une bulle est constituée d'un mince film liquide en forme de calotte sphérique supporté par le gaz piégé à l'intérieur. Les plis qui se développent lors de la rupture des bulles sont dus au poids du film mince qui s'effondre pour permettre au gaz piégé de s'échapper. Oratis et al. ont montré que l'instabilité du plissement ne dépendait pas spécifiquement de la gravité ou de la présence d'un trou formé expérimentalement pour permettre au gaz piégé de s'échapper de la bulle.

L'équipe a mené des expériences et observé le développement de rides dans une bulle qui s'effondre sur un bain d'huile de silicium pour montrer comment elle était entraînée par la tension superficielle au lieu de la gravité. Pour tester l'hypothèse, ils ont mené une expérience avec des bulles renversées, une approche facilitée du fait de la viscosité du liquide. Ils y sont parvenus en préparant la bulle à l'endroit et en faisant rapidement tourner l'échantillon pour le rompre en quelques secondes. Lorsqu'il est inversé, le film à bulles a continué à conserver sa forme et son épaisseur au sommet. Si la gravité et la viscosité avaient été des contributeurs dominants au processus, les bulles inversées se seraient allongées vers le bas comme on le voit dans les simulations. Au lieu, l'équipe a noté que la bulle inversée se retournait contre la force de gravité, tandis que les rides se sont formées au cours des dernières étapes de l'effondrement des bulles, leur offrant une vision claire du processus.

Pour comprendre la tension superficielle, le moteur du phénomène, les scientifiques ont mesuré des paramètres clés caractéristiques de l'échelle de temps de l'effondrement. Pour ça, Oratis et al. utilisé des huiles de silicone avec diverses viscosités et épaisseurs de film variées au cours des expériences. En utilisant des images à haute vitesse, ils ont calculé la vitesse représentative au début du froissement et augmenté la viscosité de l'huile de silicone, pour ralentir l'effondrement. Comme prévu, les bulles plus fines se sont effondrées plus rapidement. Le modèle dérivé dans ce travail a montré comment le nombre de rides dépendait fortement de la taille du trou créé pour initier l'effondrement de la bulle. Lors de démonstrations expérimentales, l'équipe a éliminé la différence de pression à travers la surface de la bulle à l'aide d'une configuration à capillaire qui n'a pas rompu le film mince, par conséquent, le trou créé au cours du processus a induit efficacement l'effondrement des bulles sans rompre le film.

Les résultats expérimentaux étaient en assez bon accord avec la théorie. La compétition entre la contrainte de traction et la contrainte de compression dans le système a affecté l'emplacement des motifs de plis dans les feuilles. Oratis et al. réalisé des expériences supplémentaires avec des structures plus épaisses en utilisant du verre fondu soufflé extrait du four, où ils ont permis à l'air emprisonné de s'échapper par le tuyau de soufflage de verre. Pendant le processus, le verre soufflé s'affaisse pour adopter la forme d'une ride. Le modèle dérivé dans ce travail avait des limites pour les données avec les films les plus minces où l'effondrement était si brusque que le motif de plis a perdu sa symétrie pour couvrir l'intégralité de la bulle. Par ailleurs, le modèle a prédit que le froissement ne se produirait pas dans toutes les conditions.

De cette façon, Oratis et ses collègues ont montré que la tension superficielle, pas la gravité, conduit à l'effondrement des bulles de surface visqueuses. Ils ont développé un système d'effondrement par capillaire pour initier une instabilité de flambement dynamique via l'interaction simultanée de l'inertie, compression, et la liaison visqueuse du film récidivant. Le travail a présenté des feuilles visqueuses avec des instabilités de type élastique lors d'une compression rapide. Les résultats peuvent également expliquer la mécanique des fluides de l'expiration d'aérosols potentiellement porteurs d'agents pathogènes qui sont liés à la rupture des films de bulles minces dans le fluide viscoélastique qui tapisse les voies respiratoires. Le présent travail suggère que la tension superficielle seule peut provoquer une instabilité de flambement lors de la rupture du film visqueux pour que ces films se plient et emprisonnent de l'air, fournissant ainsi un aperçu plus approfondi des mécanismes de l'aérosolisation.

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