Stabilité d'objets savonneux : mousses humides, bulles de surface et films géants

Stability of soapy objects : wet foams, surface bubbles and giant films

• Auteur / Autrice : Marina Pasquet
• Direction : Emmanuelle Rio, Frédéric Restagno, Dominique Langevin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/01/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Wiebke Drenckhan
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Biance, Arnaud Antkowiak, Henri Lhuissier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Anne-Laure Biance, Arnaud Antkowiak

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces gaz-liquide

Films liquides (physique)

Bulles de savon

Surfactants

Évaporation

Mots clés libres

Évaporation

Drainage

Mûrissement

Films minces savonneux

Bulles de surface

Mousses

Evaporation

Drainage

Coarsening

Thin soap films

Surface bubbles

Foams

Résumé

La problématique de cette thèse est de mieux comprendre les mécanismes à l’origine de la stabilité des films de savon, des bulles de surface, ou des mousses aqueuses et de prédire leur temps de vie. Trois dispositifs expérimentaux ont été utilisés afin de stabiliser ces systèmes, en supprimant l’évaporation ou la gravité, ou en adaptant la physico-chimie des solutions. Dans une première partie, nous montrons que la physico-chimie modifie la dynamique d'amincissement des bulles de surface, essentiellement via l'évaporation et non via le drainage. Pour stabiliser les bulles malgré l'évaporation, nous montrons que l'ajout de glycérol est pertinent. Pour chacun des systèmes étudiés, nous proposons un modèle pour décrire les dynamiques d'amincissement observées. Par ailleurs, nous montrons que les redistributions d'épaisseurs dans les films, dues à la régénération marginale, expliquent complètement la dynamique d'amincissement en l'absence d'évaporation. Dans une deuxième partie, nous nous intéressons à la génération et à la stabilité de films ''géants''. Nous proposons un modèle hydrostatique d'entraînement des films, dont la résolution numérique est en accord avec les données expérimentales. Nous montrons également que la prise en compte de l'évaporation convective permet de prédire un temps de vie maximal de ces grands films. Enfin, nous étudions le comportement de mousses autour de la transition de ''jamming'' en l'absence de gravité dans la Station Spatiale Internationale (ISS), dans le cadre du projet européen FOAM-C. Nous montrons que même si nous atteignons le régime auto-similaire très tardivement, nous pouvons comparer nos résultats à ceux de la littérature portant sur le mûrissement. Nous trouvons une transition entre les mousses sèches et les liquides bulleux pour une fraction liquide égale à 40 %. Nous étudions également l'impact de la physico-chimie sur ce processus de vieillissement.

The project of this thesis is to better understand the mechanisms at the origin of the stability of soap films, surface bubbles, or aqueous foams and to predict their lifetime. Three experimental devices were used to stabilise these systems, by suppressing evaporation or gravity, or by adapting the physical-chemistry of the solutions. In the first part, we show that the physical-chemistry modifies the thinning dynamics of the surface bubbles, essentially via evaporation and not via drainage. To stabilise the bubbles despite evaporation, we show that the addition of glycerol is relevant. For each of the systems studied, we propose a model to describe the thinning dynamics observed. Furthermore, we show that thickness redistributions in the films, due to marginal regeneration, fully explain the thinning dynamics in the absence of evaporation. In a second part, we focus on the generation at high velocities and stability of ''giant'' films. We propose a hydrostatic model of film entrainment, taking into account the tension in the film, whose numerical resolution is in agreement with the experimental data. We also show that taking into account convective evaporation allows us to predict a maximum lifetime of these large films. Finally, we study the behaviour of foams around the jamming transition in the absence of gravity on the International Space Station (ISS), as part of the European FOAM-C project. We show that although we reach the self-similar regime very late, we can compare our results with those of the coarsening literature. We find a transition between dry foams and bubbly liquids for a liquid fraction equal to 40%. We also study the impact of physico-chemistry on this ageing process.