Ondes capillaires dans des fluides miscibles

Les ondes capillaires sont de petites perturbations se propageant à l'interface entre deux fluides, où la tension interfaciale (la force naissant de la résistance à l’augmentation de l’aire de cette interface) agit comme la seule force de rappel. Elles sont très courantes dans la nature aux échelles typiquement millimétriques, et peuvent également être facilement produites dans des expériences de laboratoire. Ainsi, les ondes capillaires se sont révélées être un outil précieux pour mesurer la tension interfaciale entre des fluides non miscibles, car leur relation de dispersion (la relation qui lie la périodicité spatiale de l’onde, sa longueur d’onde, à la périodicité temporelle, sa fréquence) dépend de ladite tension.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :
 

• Laboratoire Charles Coulomb (L2C, CNRS / Université de Montpellier)

En revanche, l'observation directe des ondes capillaires dans des fluides miscibles n'avait pas encore été observée, très probablement en raison de l’existence extrêmement transitoire d’une surface de séparation entre deux tels fluides. C’est chose faite désormais grâce à une collaboration impliquant le Laboratoire Charles Coulomb à Montpellier et l’International Centre for Theoretical Sciences (Bangalore, Inde). 

Les chercheurs et chercheuses ont utilisé un dispositif microfluidique qui offrait un terrain de jeu idéal pour tester si les contraintes interfaciales peuvent transitoirement impacter la propagation des ondes. Le comportement de l'interface entre deux fluides a pu y être exploré sur des échelles de temps aussi courtes que quelques dizaines de millisecondes après que les fluides avaient été mis en contact. Ils ont ainsi étudié la propagation d’instabilités d'écoulement en cisaillement apparaissant lorsque deux fluides miscibles, l'eau et le glycérol, s'écoulent côte à côte dans des microcanaux rectangulaires. La signature expérimentale de véritables ondes capillaires a pu être détectée, avec deux branches distinctes de dispersion ω(k), ce qui a permis la mesure de la tension interfaciale effective à la frontière liquide-liquide entre ces deux fluides miscibles sur des échelles de temps jamais explorées jusqu'à présent, malgré le caractère très transitoire de cette frontière.

Ce travail ouvre une voie nouvelle pour explorer le rôle joué par de nombreux paramètres ajustables des fluides sur la tension interfaciale effective. Les chercheurs et chercheuses envisagent ainsi d'explorer le rôle joué par la chimie des fluides et leur viscoélasticité. Ceci devrait permettre de comprendre à quel point cette tension est importante dans la stabilisation ou la déstabilisation des écoulements se produisant dans des systèmes de liquides ordinaires ou plus complexes tels que les fluides colloïdaux, où l'apparition d'instabilités comme le « shear banding » est souvent observée. Ces résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters.