Des écoulements interfaciaux aux viscosités de surface – 2DVISC

2DVISC réunit des chercheurs d'horizons différents -- matière molle, physicochimie, mécanique des fluides, simulations numériques -- pour étudier la rhéologie interfaciale par des approches différentes mais complémentaires. Le but est d'étudier la même configuration expérimentalement, théoriquement et numériquement afin de réaliser une approche par analyse inverse.

Le projet 2DVISC en ait à ses débuts. Plusieurs jalons ont été atteints avec notamment l'implémentation des forces visqueuses de surface. Des expériences préliminaires en écoulement extensionnel dans une puce microfluidique sont prometteurs.

2DVISC souhaite atteindre l'étape importante d'une analyse inverse dans le cas de surfactants insolubles en écoulement élongationnel. Cela permettra de s'assurer de la faisabilité de 2DVISC mais aussi des améliorations à apporter.

1) P. G. Chen, J. Lyu, M. Jaeger and M. Leonetti, Shape transition and hydrodynamics of vesicles in tube flow, Phys. Rev. Fluids 5 (2020) 043602
2) M. Degonville, G. Boedec and M. Leonetti, Oblate to prolate transition of a vesicle in shear flow, EPJE 42, 116 (2019)

Maîtriser les propriétés rhéologiques des interfaces est essentiel pour contrôler la stabilité et le comportement sous drainage par exemple des matériaux multiphasiques comme les mousses et les émulsions. En effet, l’écoulement entre les bords de plateau et les films fins dépend des modules viscoélastiques de la monocouche de surfactants. La rhéologie interfaciale joue aussi un rôle important dans la rhéologie de suspensions de particules déformables. C’est ainsi le cas du sang pour lequel les interactions hydrodynamiques entre les globules rouges (GRs) sont médiées par la réponse des membranes des GRs, la viscosité interfaciale de cisaillement jouant un rôle important. Dans de nombreuses applications en peinture dans le bâtiment ou en bio-ingénierie comme l’encapsulation par exemple, la propriété « auto-cicatrisante » assure une durée de vie plus grande aux surfaces traitées ou aux molécules actives internalisées dans des capsules. Cette propriété est pour partie liée au réarrangement des macromolécules à l’interface. Elle se traduit dans les modules viscoélastiques interfaciaux ainsi que dans la loi constitutive qui régit la mécanique interfaciale.

Cependant, ces propriétés, en particulier les viscosités interfaciales de cisaillement et de dilatation, sont très difficiles à mesurer indépendamment avec les méthodes standard de rhéologie car les déformations de cisaillement et de dilatation sont souvent concomitantes. Ainsi un accord entre les différentes techniques standard est relativement rare dans le cas des surfactants. Dans le cas des microcapsules, le module élastique et la viscosité élongationnelle sont souvent peu étudiés ou mesurés.

2DVISC réunit un consortium multidisciplinaire de trois laboratoires LPS (matière molle, physico-chimie), LRP (rhéologie, mécanique des fluides) et M2P2 (Calculs Hautes Performances et mécanique des fluides) dans le but de proposer une nouvelle méthode de mesure des modules viscoélastiques interfaciaux de bulles, gouttes et capsules. Ainsi, la tension de surface, le module de Marangoni et les viscosités surfaciques de cisaillement et de dilatation dans le cas des bulles et gouttes et les modules élastiques et les viscosités surfaciques de cisaillement et de dilatation dans le cas des capsules seront mesurés. Le principe n’est pas d’appliquer une pure déformation soit de cisaillement soit d’élongation et de mesurer les contraintes nécessaires (ou l’inverse). Dans cette méthode, différents écoulements linéaires sont obtenus en variant leurs taux de cisaillement et d’élongation dans des chambres (milli-)microfluidiques. Ils sont appliqués à des objets fermés et déformables telles que des bulles, des gouttes et des capsules. Leurs déformations, leurs réorientations et les temps caractéristiques associés sont mesurés dans une large gamme de débit. Les résultats sont comparés avec la prédiction de modèles théoriques à établir dans la limite des des faibles déformations (quasi-sphérique, régime linéaire) et des simulations numériques à réaliser (code « maison ») valables dans les régimes linéaires et nonlinéaires. Plusieurs expériences sont envisagées afin de comparer les résultats entre eux mais aussi avec des techniques standard de rhéologie interfaciale. Finalement, dans le cas des gouttes et des capsules, nous intègrerons le tout dans une puce microfluidique « Four-Roll Mill » capable de produire une grande variété d’écoulements linéaires et permettant une observation par microscopie avec le but de proposer une « toolbox » dédiée à la rhéologie interfaciale.