Les bulles sont de fines coquilles liquides entourées d’air. Bien que moins connus, il existe également des antibulles, qui sont l'opposé des bulles, c'est-à-dire une fine enveloppe de vapeur entourée de liquide. Dans une nouvelle étude, nous montrons qu'il est possible de créer des antibulles en impactant une gouttelette d'un liquide volatil sur un bain d'huile visqueuse chauffé à une température supérieure au point d'ébullition de la gouttelette.

Nous avons découvert ce phénomène par hasard au laboratoire GRASP de l'Université de Liège en étudiant un autre problème concernant l'apparition de l'effet Leidenfrost pour une gouttelette volatile sur un bain liquide.

Au cours de cette étude, nous avons déposé délicatement la gouttelette volatile sur un bain chaud d'huile visqueuse. L’idée originale était de réduire au maximum le mouvement des gouttelettes afin de ne pas affecter la mesure du début de l’effet Leidenfrost. Cet effet, du nom d'un scientifique allemand du XVIIIe siècle, correspond à la situation paradigmatique où une gouttelette d'eau se déplace sur une poêle chaude, pratiquement sans friction. La recherche est publiée dans la revue Physical Review Letters. .

En effet, la chaleur apportée par la casserole vaporise la gouttelette, conduisant ainsi effectivement à sa lévitation au-dessus de la surface chaude. Par extension, l'effet Leidenfrost s'applique à toute situation dans laquelle un objet est séparé par une couche de gaz entretenue par sa propre évaporation provoquée par un transfert de chaleur depuis le substrat.

Cependant, au cours de cette étude, nous avons remarqué que si l'on libérait la gouttelette volatile par le haut, l'énergie cinétique de la gouttelette lui permettait de pénétrer dans le bain, entourée d'une fine pellicule de gaz. La colonne enrobée de gaz qui en résulte, formée dynamiquement, se déstabilise et finit par se pincer. Le résultat est une gouttelette encapsulée par une fine couche de vapeur entourée par le bain liquide, c'est-à-dire une antibulle.

De tels objets étaient auparavant fabriqués dans des conditions isothermes mais leur existence était extrêmement courte, inférieure à 100 ms. En effet, la pression hydrostatique étant plus élevée en bas qu'en haut de l'antibulle, un drainage gravitaire favorise un écoulement de gaz.

Le fond devient alors plus fin, plus fragile et éventuellement la gouttelette et le liquide du bain entrent en contact, entraînant la mort de l'antibulle. Cependant, lorsqu'une gouttelette volatile est utilisée dans un bain surchauffé, un flux de chaleur du bain vers la gouttelette, à travers la fine coque de gaz, est défini et la vaporisation ultérieure de la gouttelette peut contrecarrer l'effet de drainage.

L’antibulle qui en résulte dure beaucoup plus longtemps. L'origine physique de ces antibulles relativement stables étant la différence de température entre le bain et la gouttelette, nous avons inventé la terminologie « antibulles thermiques » pour désigner ces objets.

Dans un premier temps, nous avons étudié systématiquement les conditions d'impact, c'est-à-dire l'inertie de la gouttelette entrante, et la différence de température entre le bain et la gouttelette qui conduisaient à la formation d'antibulles thermiques. Nous avons établi un diagramme de phase en fonction de ces deux paramètres où des antibulles peuvent être créées pour la paire de fluides considérés dans leur étude.

Ensuite, nous nous sommes concentrés sur la dynamique d’une antibulle thermique après sa formation. Nous avons observé que l'antibulle coule d'abord dans le bain car la densité du liquide composant la gouttelette est supérieure à la densité du bain visqueux et la couche de vapeur entourant la gouttelette est initialement très fine. Comme le bain est plus chaud que le point d'ébullition de la gouttelette, la gouttelette s'évapore et alimente la couche gazeuse de l'antibulle sans bouillir (c'est la magie du Leidenfrost).

En raison de la génération de vapeur, la flottabilité de l’antibulle augmente et atteint un point où elle est égale au poids de la gouttelette et l’antibulle s’arrête. Par la suite, la flottabilité de l'antibulle dépasse le poids de la gouttelette et son mouvement s'inverse vers la surface du bain.

Au fur et à mesure que l'antibulle termine son voyage dans le bain chaud, nous suivons les contours de l'antibulle et en déduisons son volume en fonction du temps. Pour une gouttelette d'environ 800 μm de rayon et une différence de température entre le bain et la gouttelette proche de 80°C, nous avons observé que le volume de l'antibulle augmentait d'un facteur trois en 200 ms environ. Pour des différences de température plus importantes, le taux de gonflage de l'antibulle s'avère encore plus élevé.

Afin de rationaliser leurs observations, nos collègues du laboratoire TIPs de l'Université Libre de Bruxelles et impliqués dans cette étude, ont travaillé à modéliser le problème. Puisque le transfert de chaleur qui conduit à l'évaporation de la gouttelette est asservi à l'épaisseur de la couche de gaz elle-même impactée par le drainage gravitationnel, un modèle couplé de transport de chaleur et de fluide doit être écrit.

La première étape a consisté à adapter les modèles développés précédemment pour rationaliser la dynamique de la couche de vapeur dans le problème des gouttelettes de Leidenfrost sur un substrat liquide. Mais malheureusement, cette approche prévoyait un taux d'inflation de l'antibulle beaucoup plus élevé, environ 20 fois supérieur à celui observé expérimentalement.

Nous avons travaillé dur pour trouver l'ingrédient manquant de ce modèle. Enfin, nous avons constaté que l’ingrédient manquant était la thermalisation de la gouttelette à température ambiante lors de son impact et le pompage de l’énergie thermique du bain pour atteindre sa température d’ébullition. L'effet de la thermalisation des gouttelettes est généralement négligé dans les problèmes impliquant les gouttelettes de Leidenfrost, car il concerne la dynamique précoce des gouttelettes, alors que les expériences étudient principalement la durée de vie totale de ces gouttelettes.

Dans le problème actuel des antibulles thermiques, nous avons prouvé que la thermalisation des gouttelettes est essentielle pour prédire leur dynamique. En l'absence de thermalisation, le taux de gonflage des antibulles serait bien plus important, ce qui réduirait considérablement leur durée de vie et rendrait ces objets encore plus éphémères qu'ils ne le sont réellement.

Une solution analytique pour la thermalisation diffusionnelle d'une sphère portée soudainement à une température différente à son interface qu'en son centre était disponible dans la littérature. Heureusement, une simplification supplémentaire de la solution initiale a été possible grâce aux courtes échelles de temps considérées et le calcul du modèle a pu être réalisé facilement.

Une preuve expérimentale de l'importance de la thermalisation des gouttelettes est la présence de petites gouttelettes satellites qui apparaissent parfois lorsque la gouttelette mère est pincée par le bain au moment de l'impact. Le taux d’inflation de ces gouttelettes satellites est bien supérieur à celui de la gouttelette mère. La différence est telle que le volume de la petite antibulle peut rapidement atteindre celui de la grosse antibulle. Cette observation est une preuve directe du rôle principal de la thermalisation des gouttelettes, car les gouttelettes satellites se thermalisent beaucoup plus rapidement que les gouttelettes mères en raison de leur petite taille.

En effet, seul le terme de thermalisation peut rationaliser cette observation dans les équations qui décrivent le problème. Au final, il s'avère que dans les 100 premières millisecondes après sa création, une gouttelette de Leidenfrost pompe environ 95% de la chaleur provenant du bain pour se thermaliser et non pour s'évaporer, comme pourraient le conclure les modèles existants.

Nous avons conclu que les antibulles thermiques sont des objets uniques permettant de visualiser directement le taux d'évaporation des gouttelettes volatiles dans différentes conditions thermiques et les conséquences de la thermalisation des gouttelettes.

À l’avenir, ces objets pourraient être considérés comme de petites sondes permettant d’estimer les propriétés thermiques des fluides dans différentes situations d’intérêt pratique. Enfin, si la durée de vie de ces antibulles thermiques est effectivement quelques fois supérieure à celle de leurs homologues isothermes, nous n’avons pas encore obtenu entière satisfaction. Le facteur limitant pour ces objets est le fait qu'après avoir atteint l'interface en raison de leur densité qui change rapidement, ils ressemblent beaucoup à des bulles de surface régulières et ne peuvent plus être considérés comme des antibulles.

La prochaine histoire sur ce sujet devrait être écrite à partir d'environnements sans gravitation, espérons-le sur des échelles de temps plus longues, grâce à un projet approuvé par l'ESA pour des vols paraboliques susceptibles d'avoir lieu en 2024.

Cette histoire fait partie de Science X Dialog, où les chercheurs peuvent rapporter les résultats de leurs articles de recherche publiés. Visitez cette page pour plus d'informations sur ScienceX Dialog et comment participer.

Plus d'informations : Jonas Miguet et al, Antibulles thermiques :lorsque la thermalisation des gouttes de Leidenfrost encapsulées compte, Physical Review Letters (2023). DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.184001

Informations sur le journal : Lettres d'examen physique

L'équipe comprend des chercheurs travaillant dans le domaine de la matière molle issus de trois laboratoires en Belgique et en France. Benoid Scheid et Stéphane Dorbolo ont par le passé apporté des contributions majeures au problème des antibulles isothermes. Laurent Maquet et Baptiste Darbois Texier ont étudié différents problèmes liés à l'effet Leidenfrost. Jonas Miguet est spécialiste du transfert de masse en couches fluides minces. Toutes ces compétences réunies ont permis de rationaliser la dynamique de ces nouveaux objets, que nous avons appelés « antibulles thermiques ».