Dynamique de bulles et de gouttes : méthodes de mesure et impact de la rhéologie de surface

Bubbles and drops dynamics : measurement methods and impact of surface rheology

• Auteur / Autrice : Julian Wailliez
• Direction : Emmanuelle Rio, Anniina Salonen
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• 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 : Benoît Scheid
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Christophe Baret, Cécile Monteux, Chi-Tuong Pham
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Baret, Cécile Monteux

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physique -- Méthodologie

Sciences -- Expériences

Interfaces liquide-liquide

Gouttes

Bulles

Mots clés libres

Bulles

Gouttes

Rhéologie de surface

Méthodes expérimentales

Bubbles

Drops

Surface Rheology

Experimental methods

Résumé

La problématique à laquelle cette thèse tente de répondre est de mieux comprendre le lien entre la physico-chimie des interfaces liquides, stabilisées par des molécules tensioactives, et leurs propriétés mécaniques. Le développement de trois dispositifs expérimentaux permettant de mesurer ces propriétés de surface ou d'évaluer l'impact de la concentration en tensioactifs sur le comportement mécanique des interfaces est présenté. Dans la première partie, nous montrons que la dynamique des molécules tensioactives peut grandement impacter la déformation de goutte sous écoulement extensionnel et qu'elle permet, dans une grande majorité des cas étudiés, de réduire les déformations subies par la goutte en comparaison du cas d'une interface homogène de même tension superficielle. Nous proposons un modèle qualitatif mêlant l'apparition de gradient de tension de surface et déplétion locale des tensioactifs aux pôles de la goutte pour décrire nos résultats. Dans la deuxième partie, nous nous intéressons à la modélisation des interfaces liquides par un modèle de Maxwell viscoélastique en nous basant sur des mesures de réponses interfaciales par méthode de la bulle oscillante. Nous proposons ici une méthode permettant de n'effectuer qu'une seule expérience pour un système physico-chimique donné menant à une mesure moyennée de la rhéologie interfaciale. Les résultats préliminaires montrent que les mesures sont raisonnables et en accord avec à la fois les mesures effectuées sur un dispositif commercial et celles disponibles dans la littérature. Enfin, une expérience de mûrissement de deux bulles confrontée à un modèle théorique modélisant la dynamique de vidange nous permet de remonter à la viscosité interfaciale. Nous montrons que la prise en compte des dissipations introduites par le montage expérimental est primordiale lorsque la viscosité de volume est faible (quelques fois la viscosité de l'eau).

The problematic that this thesis tries to answer is to better understand the link between the physico-chemistry of liquid interfaces, stabilized by surfactant molecules, and their mechanical properties. The development of three experimental devices allowing to measure these surface properties or to evaluate the impact of the surfactant concentration on the mechanical behavior of interfaces is presented. In the first part, we show that the dynamics of surfactant molecules can greatly impact the deformation of the drop under extensional flow and that it allows, in a large majority of the cases studied, to reduce the deformations undergone by the drop compared to the case of a homogeneous interface with the same surface tension. We propose a qualitative model mixing the appearance of surface tension gradient and local depletion of surfactants at the poles of the drop to describe our results. In the second part, we focus on the modeling of liquid interfaces by a viscoelastic Maxwell model based on measurements of interfacial responses by the oscillating bubble method. We propose here a method allowing to perform only one experiment for a given physico-chemical system leading to an averaged measurement of the interfacial rheology. Preliminary results show that the measurements are reasonable and in agreement with both measurements performed on a commercial device and those available in the literature. Finally, an experiment of ripening of two bubbles confronted with a theoretical model of the emptying dynamics allows us to trace the interfacial viscosity. We show that taking into account the dissipations introduced by the experimental setup is essential when the volume viscosity is low (a few times the viscosity of water).