Cavitation et Confinement – CAVCONF

La cavitation, c'est-à-dire la formation d'une bulle de vapeur dans un liquide sous tension présente un intérêt fondamental et joue un rôle central dans de nombreux domaines technologiques et en milieu naturel. Depuis des décennies, le consensus est que, dans un liquide massique, la cavitation se produit par la formation stochastique d'un germe de gaz comme décrit par la Théorie Classique de la Nucléation (TCN). Quelques expériences récentes, pour certaines réalisées par des membres du consortium, suggèrent que le même processus de cavitation pourrait aussi être en jeu lors de l’évaporation d’un fluide confiné dans un milieu nanoporeux. Cependant, ces résultats restent peu nombreux et contradictoires.

Le principal objectif de ce projet est de déterminer si et comment la cavitation apparaît dans un nanopore : quelle est l’influence de l’interaction fluide-paroi, de la température ? La cavitation est-elle homogène ou hétérogène ? Pour cela, nous proposons d’étudier le comportement de différents fluides dans une large gamme de températures au sein de matériaux confinant avec des pores en forme de « bouteille d’encre ».

En préalable, il est nécessaire de vérifier avec précision les prédictions de la TCN pour la cavitation homogène en volume. Pour éclaircir les débats actuels, nous proposons de réaliser des expériences sur l’hélium, l'argon, et l’azote liquides en utilisant la technique d’ «arbre synthétique» développée à l’Université de Cornell (USA).

Le troisième axe de notre projet concerne les systèmes fermés de très petite taille : il a été récemment prédit que la conservation de la masse inhibe alors la cavitation et rend « super-stable » le liquide sous tension. Nous proposons d’effectuer la première étude expérimentale de ce phénomène.

Notre projet ambitieux repose sur l'expertise complémentaire de l'Institut Néel (NEEL), l'Institut des NanoSciences de Paris (INSP), le Laboratoire de Physique Statistique de l'Ecole Normale Supérieure (LPS-ENS) et Interfaces, Confinement, Matériaux et Nanostructures (ICMN). Ce projet regroupe un ensemble unique de compétences expérimentales et théoriques et comporte plusieurs spécificités et défis originaux.

Tout d’abord, nous proposons d’utiliser une grande variété de fluides, allant de liquides modèles (hélium, argon, azote) à des fluides plus complexes comme les alcanes ou l’eau. L’hélium, parfaitement mouillant, servira de référence pour qualifier la nature homogène de la cavitation. La comparaison aux autres fluides permettra de déterminer l’influence de la structure du fluide et de l’interaction fluide-substrat.

Les liquides cryogéniques seront explorés jusqu’à leur point critique. Ceci permettra d’atteindre les températures où la cavitation devrait être effectivement le mécanisme d’évaporation dans les milieux nanoporeux.

Le projet repose aussi sur la fabrication de membranes de silicium et d’alumine poreuse contenant des pores en forme de bouteille d’encre afin de détecter les évènements de cavitation sans aucune ambiguïté.

Enfin, l'analyse des résultats expérimentaux s'appuiera sur deux approches théoriques : un modèle phénoménologique de fluides en milieu confinés et une approche numérique permettant une modélisation microscopique réaliste pour décrire les comportements des liquides utilisés y compris les liquides complexes.

En explorant une large gamme de paramètres physiques comme l’énergie d’interface liquide-vapeur ou les interactions fluide-paroi, notre projet apportera des informations nouvelles sur le phénomène de cavitation, en géométrie confinée ou non, et permettra de faire progresser sa modélisation. Au-delà de leur intérêt pour la communauté de l’adsorption, ces résultats pourraient modifier profondément notre vision du processus de nucléation et auront certainement un impact dans d’autres domaines comme la physique statistique ou la matière molle. Ils auront aussi des répercussions dans des domaines interdisciplinaires comme en géophysique et en biophysique.