L’impact des gouttes et billes de fluides et gels complexes – Présentation de Laurence Ramos au MIT

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Le Department of Civil and Environmental Engineering de MIT propose tout au long de l’année une série de séminaires sur les materiaux moux: Soft Materials Structures and Devices (SMSD) qui se déroule au MIT.
Une fois par mois l’Unité Mixte Internationale (UMI) MIT-CNRS, représentée par Rolland Pellencq et Thibaut Divoux, organise un séminaire SMSD où un chercheur français partage ses travaux auprès d’une audience constituée d’une trentaine de scientifiques du MIT.

Le séminaire SMSD de décembre, sponsorisé par le Service pour la Science et la Technologie de l’Ambassade de France aux Etats-Unis, portait sur l’impact des gouttes et billes de fluides et gels complexes sur une surface répulsive, qui était le sujet d’une recherche menée au sein du Laboratoire Charles Coulomb à Montpellier.
L’équipe ayant participé à cette recherche est composée de six chercheurs : Laurence Ramos, directrice de recherche à l’Université de Montpellier, Srishti Arora, Jean-Marc Fromental, Serge Mora, Ty Phou et Christian Ligoure.

Cette recherche a été rendue possible grâce aux avancées technologiques récentes, permettant d’enregistrer des images à haute fréquence et de distinguer les évolutions du comportement de gouttes et billes sur de très courtes durées (inférieures à la seconde). Jusqu’alors, seuls des questionnements auxquels des théories pouvaient essayer de répondre, avaient traversé l’esprit de scientifiques. Aujourd’hui, des expérimentations peuvent y apporter des réponses précises.

L’importance de l’étude de l’impact des gouttes sur une surface découle notamment du grand nombre de domaines auxquels elle peut s’appliquer : l’industrie, l’agriculture, les sciences médico-légales
Laurence Ramos a présenté le processus expérimental pour leur recherche : les gouttes et billes d’environ 3mm de diamètre sont lâchées à la verticale au-dessus d’une surface solide horizontale couverte d’azote liquide. La goutte ou bille étant lâchée à une hauteur h a une énergie cinétique au cours de la chute égale proportionnelle à sa masse et au carré de la vitesse (Ec=mc²). L’impact contre la surface crée alors une couche de vapeur d’azote isolante entre la solution et la surface permettant d’éliminer les pertes énergétiques. Cette énergie, au moment de l’impact, se conserve pour être notamment convertie en énergie élastique, lors de la déformation la bille ou la goutte qui s’aplanit et s’étend en diamètre. Cette énergie élastique, lorsque l’extension atteint son diamètre maximum, est environ égale à l’énergie cinétique au moment de l’impact. La goutte ou bille se contracte ensuite et rebondit à la surface.

La recherche menée par l’équipe de Montpellier compare le comportement de différents fluides et gels complexes : solides mous, gouttes liquides et gouttes viscoélastiques.
Le temps nécessaire pour arriver à la déformation maximale (goutte/bille atteignant son diamètre maximum) dépend de la vitesse de chute et de l’élasticité de la goutte ou bille en question (l’élasticité peut être surfacique et volumique, l’une des deux pouvant être négligée pour un solide selon rapport entre la longueur élastocapillaire lec et la taille du solide en question).

Les expérimentations menées montrent que, quand on peut négliger les frottements, la déformation des billes ultra-molles et des gouttes liquides et viscoélastiques ont un comportement similaire, comparable à un mouvement harmonique dépendant de la déformation élastique (surfacique et volumique), de la dissipation visqueuse et de la tension superficielle de la bille ou goutte en question.