Stabilité des films de savon: une description à l'échelle nanométrique – SOLSTICE

Les films de savon suscitent un grand intérêt comme membranes d’épaisseur nanométriques ou comme éléments constitutifs d’une mousse. Comprendre leur stabilité est donc essentiel. La formulation d’une solution savonneuse modifie la stabilité de ces films ainsi que les propriétés thermodynamiques et rhéologiques des interfaces air/liquide. Par ailleurs, de nombreuses études montrent que la structure et la dynamique des tensioactifs adsorbés sont des éléments-clés pour interpréter ces changements. Si le lien entre échelles microscopique et macroscopique est indéniable, il n’est toujours pas parfaitement compris. Ce lien est usuellement effectué par une équation d’état, relation entre les concentrations de surface et de volume des tensioactifs et la tension de surface. Cependant, cette équation établie à l’équilibre considère peu les effets électrostatiques et l’organisation des tensioactifs dans l’espace. Des vérifications expérimentales directes des effets de la structure de la couche adsorbée sur les propriétés macroscopiques des interfaces, notamment la stabilité de films de savon, manquent encore. La première cause est le manque d’outils très spécifiques aux surfaces (afin de négliger les contributions volumiques dans les signaux recueillis), et sensible à l’organisation spatiale des tensioactifs.
SOLSTICE vise à développer une description moléculaire de la stabilité des films de savon, par des mesures de Génération de Second Harmonique (ou SHG). Le processus élémentaire de conversion de deux photons à la fréquence fondamentale en un photon doublé en fréquence, à l’origine de la SHG, est interdit dans les milieux centrosymétriques : c’est un outil idéal pour les études proposées ici. La méthode sera déclinée en différentes configurations pour sonder l’organisation spatiale des tensioactifs et déterminer leurs propriétés dynamiques sur des interfaces planes et des films de savon. Un intérêt particulier sera porté à la mise en évidence et à l’étude des hétérogénéités spatiales, agrégats moléculaires sur les interfaces ou gradients dans la répartition des tensioactifs à l’origine des contraintes Marangoni. Dans ce projet, nous étudierons des systèmes modèles de films constitués de tensioactifs standards utilisés dans la formulation des mousses.
Les études porteront d’abord sur des interfaces savonnées, interfaces au repos entre l’air et une solution aqueuse de tensioactifs standards contenant ou non des sels additifs. En jouant sur la physico-chimie de la solution, nous modifierons notamment les interactions entre les tensioactifs et leur affinité pour l’interface. Les mesures SHG viseront à sonder les conséquences sur la concentration de surface, la charge effective, l’organisation et la dynamique des tensioactifs adsorbés. Ces propriétés microscopiques seront corrélées aux variations de la tension de surface et des propriétés viscoélastiques de l’interface. Le lien entre la structure et les propriétés macroscopiques de l’interface sera ainsi discuté à l’équilibre. Nous nous intéresserons ensuite aux propriétés dynamiques des tensioactifs (cinétique d’adsorption, diffusion à l’interface) en lien avec la réponse des interfaces savonneuses à des sollicitations extérieures. Nous chercherons notamment à mettre en évidence de façon directe et non invasive les gradients de concentration en tensioactifs sur ces interfaces. Enfin, la question de la stabilité des films de savon sera revisitée par des expériences SHG inédites sur ces films liquides.
Les outils et méthodologies développés dans le cadre de SOLSTICE auront un impact au-delà de la stabilité des films de savon, quand l’adsorption et l’organisation de molécules aux interfaces régissent les phénomènes macroscopiques, comme parmi d’autres, le déplacement de particules actives de camphre à l’interface air/eau ou les effets électrocinétiques près d’interfaces réactives chimiquement ou électroniquement, activités notamment développées au laboratoire.