Dynamique de tensioactifs aux interfaces et effet Marangoni ou comment s’étale du savon sur l’eau ?

L’organisation de molécules tensioactives en volume et en surface dépend de leur amphiphilicité ; celle-ci représente l’équilibre entre les parties hydrophiles et hydrophobes de la molécule et peut notamment se quantifier à l’équilibre par la concentration micellaire critique (cmc). Les tensioactifs sont aussi à l’origine d’effets dynamiques : des gradients de concentration de surface sont capables de créer des écoulements interfaciaux et volumiques appelés écoulements de Marangoni. Dans cet exposé, je présenterai différents résultats expérimentaux illustrant le couplage entre amphiphilicité et écoulement de Marangoni.

En pratique, nous avons étudié une configuration expérimentale simple, consistant à déposer à débit constant une solution concentrée de tensioactifs solubles dans l’eau à la surface d’un bain d’eau propre. Nous avons alors déterminé les propriétés d’étalement et de diffusion en volume des tensioactifs. Les spécificités de l’écoulement interfacial – notamment, l’existence d’une distance finie de l’étalement – ont été mesurées pour différents tensioactifs, différentes configurations géométriques et en fonction des paramètres expérimentaux accessibles [1,2]. Je présenterai alors un modèle hydrodynamique, en bon accord avec ces données expérimentales et qui montre que, même dans une situation hors-équilibre, la cmc du tensioactif est un paramètre clé de sa dynamique à la surface.

En parallèle, nous avons aussi caractérisé l’écoulement induit en volume par PIV : les données montrent qu’un anneau de vorticité (‘vortex ring’) se localise sous la surface libre.  Je montrerai aussi que le couplage entre cet anneau et la surface libre induit une déformation verticale de la surface et une rupture de symétrie liée à une instabilité de type Rayleigh-Taylor [3].  

Enfin, pour compléter les études à l’interface eau-air, je présenterai des résultats de l’étalement de tensioactifs solubles à l’interface eau-huile [4]. En réponse au dépôt de tensioactifs, une forte déformation verticale de l’interface eau-huile apparait, avec l’eau remontant localement dans l’huile. Dans certaines conditions, cette remontée est même suffisante pour entrainer le percement de couche d’huile d’épaisseurs centimétriques. Nous avons pu expliquer cette remontée non-triviale et sa dépendance avec l’amphiphilicité des tensioactifs et les ratios de densités et de viscosités entre l’eau et l’huile.

En conclusion, l’étude d’une configuration expérimentale apparemment simple et des écoulements induits par des tensioactifs classiques s’est avérée très riche, ouvrant des perspectives inattendues sur de nouvelles méthodes de mesure d’une cmc et de profil hors-équilibre de tension de surface, sur de nouveaux mécanismes de démouillage liquide-liquide et sur l’interaction d’un anneau de vorticité avec une surface libre.

[1] M. Roché, Z. Li, I.M. Griffiths, S. Le Roux, I. Cantat, A. Saint-Jalmes, H.A. Stone, Phys.Rev. Lett., 112, 208302 (2014).

[2] S. Le Roux, M. Roché, I. Cantat and A. Saint-Jalmes. Phys. Rev. E, 93, 013107 (2016).

[3] G. Le Doudic, M. Labousse, B. El Hadj Maïga, I. Cantat, A. Saint-Jalmes, M. Roché, en préparation

[4] R. Leite Pinto, S. Le Roux, I. Cantat, A. Saint-Jalmes, Physical Review Fluids, 3, 024003 (2018).