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Bulles qui bullent n’amassent pas mousse !

bulles

Rien de plus simple que de se faire un bain moussant ? Détrompez vous ! Les bulles sont bien plus complexes qu’on ne le pense. Leurs propriétés et composition en font des sujets d’étude fascinants permettant de créer des mousses. De leur formation jusqu’à leur stabilité, il y a beaucoup de mécanismes chimiques qui entrent en jeu. Tous ces éléments en main, on peut comprendre comment les bulles conçoivent des mousses. Allez Moussaillons! Essayons de comprendre la chimie qui se cache derrière la mousse.

Mais pour cela, rappelons tout d’abord qu’une mousse est un ensemble de bulles qui s’ organisent ensemble. En expliquant la formation des bulles on s’intéresse donc aussi à la création de la mousse, sujet de notre projet.

Une bulle, c’est beau, c’est rond… mais c’est quoi ? Globalement, une bulle est un gaz enfermé dans un liquide, mais cela va bien au-delà, sinon les mousses, ce ne serait pas si compliqué ! En effet, de nombreux facteurs permettent d’expliquer la configuration d’une bulle; nous allons d’abord nous pencher sur ce que l’on appelle les tensioactifs. On peut remarquer que pour la formation d’une bulle, la présence d’un liquide et d’un gaz suffisent. Mais les bulles ainsi crées on une durée de vie très courte, et la mousse qu’elles forment est donc très éphémère; comme l’écume des vagues par exemple. Mais les tensioactifs ont la capacité d’allonger la durée de vie de la bulle. C’est pourquoi lorsque la mer est polluée par des déchets chimiques qui contiennent des tensioactifs, l’écume s’accumule, les bulles composant la mousse tiennent plus longtemps.

Ces composés présentent deux parties – on parle de système biphasique – et sont appelés molécules amphiphiles. La première est une partie hydrophobe composée d’une queue de 10 à 20 atomes de carbone; la seconde est hydrophile, elle se compose d’une tête soluble dans l’eau dirigée vers l’intérieur du film de savon. Les tensioactifs modifient la tension superficielle entre deux surfaces. Cette tension, aussi appelée tension de surface est une force exercée par un liquide (ici l’eau savonneuse) sur la paroi  qui le limite (celle de la bulle) et qui tend à réduire la surface du liquide. Elle est notée σ et s’exprime en N.m-1. Nous expliquerons plus tard ce qu’est la tension superficielle et comment elle se mesure, pour l’instant essayons d’abord de comprendre les principes plus “simples” des bulles.

Les tensioactifs ont la capacité de se regrouper dans une forme circulaire que l’on appelle micelle (Figure 1). Cette structure se forme tout particulièrement aux interfaces entre l’eau et d’autres composés qui y sont  peu solubles, comme les gaz par exemple. Il faut une certaine concentration pour que la couche de liquide soit saturée et que la formation des micelles puisse avoir lieu, celle-ci est appelée Concentration Micellaire Critique (CMC ).

On peut aussi remarquer que lorsque l’on agite une eau savonneuse, on créée plus de mousse: on va “aider” les tensioactifs à entrer en solution et former des micelles. En effet, les tensioactifs restent en surface jusqu’à ce qu’ils soient trop concentrés à cette interface et entrent donc en solution, mais sans agitation, si ils peuvent rester à l’interface eau-air, pourquoi iraient-ils s’embêter à former des micelles ?

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Si l’on en revient à notre mousse savonneuse, quels sont les tensioactifs et comment agissent-ils ? Dans une solution aqueuse, certains composés s’ionisent: c’est le cas de certaines molécules du savon. Ces molécules ionisées sont appelées carboxylates (voir schéma ci-dessus), bases conjuguées d’un acide carboxylique. Le savon de notre quotidien est en effet souvent composé de mélanges de carboxylates de sodium ou de potassium dérivés d’acide gras possédant une chaîne carbonée de plus de 10 atomes de carbone. Ce sont ces carboxylates qui jouent le rôle de tensioactifs dans le cas du savon et permettent de diminuer la tension superficielle du liquide. Dans notre liquide savonneux, c’est donc toute une stratégie où chacun trouve sa place dans l’intérêt de la mousse: pas de repos pour les tensioactifs !

Mais qu’en est-il au point de vue, plus physique, des forces? Les deux couches externes des bulles se maintiennent grâce à deux forces qui se compensent: la répulsion électrostatique des tensioactifs et la force de Van der Waals(VdW). Les forces de VdW s’exercent entre les molécules du film d’eau de la bulle. Celles-ci sont situées à l’interface eau-air et ne peuvent donc partager leurs électrons que vers les côtés et le bas. La résultante des forces va donc être dirigée vers le bas. Par ailleurs, une direction de partage étant supprimée, les molécules d’eau accolées vont donc créer plus de liaisons entre elles qu’en solution, ce qui va créer une membrane élastique d’eau. Cette force a donc tendance à rapprocher les deux films. Par ailleurs, la répulsion électrostatique est, quand à elle, causée par les tensioactifs: leurs têtes chargées (de même signe), vont se repousser, créant une force contraire à celle de VdW. Enfin, les tensioactifs vont créer des liaisons avec les molécules d’eau à l’interface eau/air et vont ainsi “récupérer” les électrons que les molécules d’eau ne pouvaient pas partager entre elles comme décrit précédemment. Ces liaisons permettent d’abaisser la tension superficielle exercée sur la bulle. Celle-ci acquière donc bien sa stabilité de par ses tensioactifs.

Revenons un peu aux notions principales: tout d’abord qu’est-ce qu’une tension ? En physique une tension est une variable d’extension. Si on prend un fil par exemple, il est d’un côté relié à un support fixe et étiré de l’autre. On parle de tension car le fil est soumis à deux forces respectivement à ces deux extrémités. Très bien me direz vous, mais quel est le rapport avec les bulles ? Les bulles possèdent une propriété physique que l’on nomme tension superficielle. Superficielle car elle est exercée sur la surface de la bulle. C’est une notion capitale qui nous en apprend beaucoup sur les propriétés des bulles, à commencer par leur formes. La tension de surface est causée par les différetes forces intermoléculaires dont nous venons de parler.

Précédemment nous avons parlé de deux forces dans le cas de la tension du fil. Qu’en est-il pour la bulle ? Une bulle renferme un ou plusieurs gaz et à l’extérieur se trouve l’air environnant. Ces deux entités exercent une pression, c’est à dire une force par unité de surface sur la paroi de notre bulle.

On considère ces pressions uniformes car elles sont causées par l’excitation des molécules. Pour qu’une bulle puisse maintenir sa structure celui lui coûte de l’énergie. Tout système physique tend à réduire son énergie, donc pour une bulle d’un certain volume, la forme qui minimise son énergie est celle qui minimise sa surface d’exposition. Pour un volume donné c’est la sphère qui permet de minimiser cette surface.  Tension superficielle : F = γL

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Le coefficient γ s’appelle tension superficielle et se mesure en N/m.La pression, contrairement à la tension de surface qui s’applique sur la circonférence uniquement dans le cas de notre bulle, s’applique sur toute la surface de la coupe.

Prenons la coupe transversale d’une bulle. Comme chacun sait, sa circonférence s’exprime par 2πR. La force totale est donc 2γ(2πR) = p(πR²) car le film de la bulle est constitué de bicouche. En prenant en compte la pression atmosphérique on obtient: p-pe = 4 γ / R dans le cas où notre bulle est stable et ses variations de volumes sont nulles.

Une bulle est donc en permanence sujet à des forces qui s’exerce sur elle et doit s’adapter afin de maximiser sa stabilité, et ce à chaque instant. Mais qu’en est-il justement, au cours du temps ?

En effet, même plus résistantes que des bulles ne contenant pas de molécules amphiphiles, les bulles de savons retournent rapidement à leur état initial de deux parties macroscopiques gaz/liquide sous l’effet de différents mécanismes que nous allons vous présenter. On distingue plusieurs étapes au cours de la “vie” d’une bulle.Nous avons le murissement, le drainage, la coalescence, dont nous ne parlerons pas ici, et enfin la “mort” de la bulle.

Parlons tout d’abord du mûrissement qui est le phénomène par lequel les petites bulles se vident dans les plus grandes. Ceci est dû à une différence de pression entre ces dernières. On peut l’expliquer grâce à la relation de Laplace qui permet de lier la différence de pression entre deux milieux séparés par une interface (ici l’eau et le savon) avec la courbure de cette interface et la tension de surface.

La relation de Laplace s’écrit: ΔP  = σ (1/R1 + 1/R2)

où R1 et R2 sont les rayons de courbure des parois des bulles, et σ est la tension de surface. Cette dernière tend à réduire la courbure de l’interface tandis que la pression tend à la courber. C’est pourquoi, lorsque l’équilibre ne tient plus, la difference de pression devient trop importante et laisse une bulle se vider dans une autre.

Pour un liquide bulleux: lorsque le gaz est bien séparé par l’interface liquide et que les bulles sont sphériques, on a R1=R2=R. La différence de pression est donc proportionnelle à 1/R. Ceci conduit les petites bulles à se vider et à laisser la place aux grandes qui se vident ensuite vers l’extérieur. Ceci est appelé mûrissement d’Ostwald. Encore une fois, pas de repos pour les bulles !

Parlons à présent du  mécanisme de  drainage gravitationnel. Sous l’effet de la force gravitationnelle le liquide présent dans la mousse s’écoule vers le bas de la bulle. Ce phénomène tend à assecher la partie supérieure de la mousse c’est à dire à y réduire la proportion de liquide et à fragiliser la mousse. Le film de savon peut alors devenir extrement fin, jusqu’a un état critique où la bulle éclate. Mais là encore le rôle des tensioactifs favorise la longévité de la bulle. D’abord, les molécules amphiphiles ralentissent l’écoulement du liquide : plus la couche est visqueuse et élastique plus l’écoulement est ralenti. Ensuite, de part sa disposition en double monocouche, les têtes hydrophiles se font face et lorsque la couche d’eau maintenue entre les deux couches de tensioactifs est trop fine, les parties apolaires des deux couches vont se repousser, maintenant ainsi la structure de la bulle -pour un temps tout de même limité- et ralentissant encore une fois le drainage. Si les forces s’exerçant entre les deux surfaces avaient étaient attractives et non répulsives, l’effet inverse se serait produit : l’écoulement du liquide aurait été accéléré.


Un projet de recherche est en cours sur une technique permettant de contrer le drainage gravitationnel afin d’obtenir une mousse plus stable. Des chercheurs du Laboratoire des Sciences et Ingénierie de la Matière Molle ont développé des tensioactifs dits photostimulables dont la faculté d’absorption peut être modifiée -de manière réversible- par l’éclairage UV.


Lorsqu’ils sont absorbés, les tensioactifs présents à l’interface eau/air subissent des chocs avec les molécules d’eau présentes dans le film ce qui peut conduire à une désorption des tensioactifs. Ceci dépend de la polarité de la queue du tensioactif : plus elle est hydrophobe, moins il sera fréquent que le tensioactif se désorbe. Inversement, un tensioactif ayant une queue peu hydrophobe se désorbera rapidement.
Par ailleurs, les tensioactifs photostimulables ne recouvrent pas les deux interfaces de la bulle de manière homogène. Les parties de l’interface qui présentent donc un déficit de tensioactifs ont une tension superficielle plus forte que les autres parties de l’interface.   

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De plus, lorsqu’il y a un déficit de tensioactifs, il y a diminution de la force répulsive qui s’exerce entre les deux couches de tensioactifs. Les forces de sens opposés telles que la pression de l’air qui s’exerce sur les deux interfaces ou encore les forces de Van der Walls ne sont donc plus compensées : il en résulte un rapprochement brutal des deux interfaces du film, ce qui fera éclater la bulle.


Pour éviter cela, lorsque les couches ne sont pas homogènes, les tensioactifs vont se déplacer de manière à couvrir de nouveau l’interface de manière homogène. Ce déplacement va provoquer un flux de liquide dans le film de la bulle. le liquide va donc se déplacer vers une partie du film où la tension superficielle est plus forte, et va ainsi ‘regonfler’ le film d’eau et éviter le rapprochement des deux interfaces.

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Revenons maintenant aux tensioactifs photostimulables et au drainage gravitationnel : Lorsqu’il est éclairé par une lumière UV, la structure du tensioactif photostimulable est modifiée de manière à le rendre moins hydrophobe, donc pouvant se désorber facilement.


Ainsi pour contrer le drainage gravitationnel de la bulle qui entraîne le liquide présent dans le film dans la partie inférieure de la bulle, on éclaire avec une lumière UV la partie supérieur de la bulle. De ce fait, le tensioactifs photostimulables éclairés vont devenir moins hydrophobe et donc se désorber. Il y aura donc un déficit de tensioactifs dans la partie supérieure de la bulle : la tension superficielle du film à cet endroit va donc augmenter. Les tensioactifs des deux interfaces de la bulle vont se disposer de manière à homogénéiser les deux couches de tensioactifs, provoquant le mouvement du liquide dans la bulle. Ainsi la forte concentration de liquide présent dans la partie inférieure de la bulle va ‘remonter’ dans le film vers la partie supérieure de la bulle où la tension superficielle est forte.

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En conclusion, nous avons ainsi pu voir que pour étudier les mousses, il faut tout d’abord s’intéresser à la bulle maintenue grâce à plusieurs phénomènes tels que les forces de Van der Walls, qui permettent la cohésion du film situé entre les couches de gaz. Nous avons pu comprendre comment les tensioactifs, comme les carboxylates de nos savons, permettent d’alonger la vie d’une bulle grâce à la diminution de la tension superficielle.

Références:

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