Les bulles de savon Gabriel Bousquet, Vivien Parmentier Morgane Fortin 13 novembre 2007

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1 Les bulles de savon Gabriel Bousquet, Vivien Parmentier Morgane Fortin 13 novembre 2007 Introduction Le savon. Notre quotidien n a pas encore livré tous ses secrets. Si l astrophysique, la physique des particules, la physique des plasmas demeurent certes des sujets fort intéressant, il semble que même ici, les plus grands mystères ne sont pas les plus exotiques. C est ainsi que le savon soulève encore et toujours de grands problèmes irrésolus. Le savon a été inventé sur le pourtour méditerranéen il ya environ 3000 ans ; il aurait été rapporté à l occasion des croisades. Dès à présent, nous pouvons donc mettre en évidence une propriété fort intéressante du savon : grâce à lui, c est indubitable, la religion a servi à quelque-chose... Plus scientifiquement, on regroupe sous l appellation de "savons" les molécules amphiphiles (hydrophiles et lipophiles). Ce sont de longues molécules constituées d un flagelle organique (lipophile) et d une tête ionique (hydrophile). On s intéressera à leurs propriétés tensio-actives et détergentes, mais aussi aux films d eau dont elles permettent la formation. 1) Propriétés tensio-actives Une interface liquide-gaz est une zone énergétiquement et entropiquement défavorable, et il est aisé de s en convaincre : un liquide est un objet par nature volumique. C est bien que la proportion de molécules qui se trouvent à l interface est très faible. L interface est donc sans aucun doute un lieu défavorable. En d autres termes, un liquide va chercher à minimiser la surface de son interface, de sa frontière. 1.1 Expérience du barreau On réalise l expérience suivante : sur un cadre rectangulaire, on pose un barreau mobile. Deux zones rectangulaires sont ainsi créées. On dépose ensuite un film da savon sur cette armature. Deux films coexistent de part et d autre du barreau. On perce alors un de ces deux films, et on observe que le barreau est comme éjecté dans la direction du film non percé. Une force s est donc exercée sur le barreau. En fait, on vient de le voir, l existence d une interface est énergétiquement défavorable au fluide (et un film a une très grande interface!). Cela signifie que pour créer un film, il faut apporter de l énergie au liquide, proportionnellement à la surface créée : E = γa Cette énergie potentielle est à l origine d un phénomène de tension au niveau du film : T = de/da = γ où γ est finalement appelée "tension de surface". Tant que les deux films coexistent, la somme des tensions est nulle, et le barreau reste à sa place. Mais lorsque l on perce l un des deux films,

2 celles-ci ne se compensent plus. Le barreau est attiré par le film restant, car cela minimise son aire. 1.2 Bulle de fumée De même, la célèbre expérience de la bulle de fumée illustre l existence de cette tension de surface : demandons à un ami magicien de fabriquer une bulle de savon en la remplissant de fumée, puis plantons une paille dedans. On observe que la fumée est expulsée à l extérieur de la bulle, en un jet sous pression. La bulle ayant tendance à rétrécir (de manière à diminuer sa surface), elle pressurise l air qu elle contient. Maintenant que le phénomène de tension de surface a été mis en évidence, observons comment le savon modifie les propriétés de l interface du liquide dans lequel il est dissous. 1.3 Mouvements de flotteurs Dans un bac rectangulaire rempli d eau, confectionnons un flotteur qui puisse coulisser dans le rectangle. Le flotteur sépare le bac en deux zones, en deux surfaces libres. Dans une des deux zones, déposons une goutte de liquide vaisselle. Tel le petit enfant qui fuit le savon, le flotteur semble s enfuir devant le liquide vaisselle. En bon physiciens, comme nous savons que le flotteur n a pas d oeil pour se rendre compte que l opérateur a déposé du liquide vaisselle à son côté, nous en concluons que de même que pour les expériences précédentes, des modifications de la tension de surface des milieux ne doivent pas être étrangères au phénomène. En fait, l ajout de savon abaisse la tension de surface du liquide : les molécules de savon positionnées à l interface ont un effet stabilisant. L interface est moins énergétique, donc moins tendue, les deux tensions de part et d autre du flotteur ne se compensent plus et ce dernier est donc mis en mouvement. 1.4 Autres expériences Au M.I.T, une équipe de chercheur a observé un insecte "qui marche sur l eau". Lorsqu il est menacé, il libère une poche de savon contenue dans son abdomen. Il est alors transporté en quelques millièmes de secondes sur une distance de plusieurs fois sa taille. M. Nakata a confectionné des petits bateaux à la poupe desquels il a attaché du camphre qui fait effet de tensio-actif. Mes petits bateaux avancent et si on leur confectionne une piste circulaire, ils tournent sans s arrêter : en repassant sur leur traces, on pourrait croire qu ils sont condamnés à s arrêter, car il y a du tensioactif des deux côtés. On observe cependant le contraire. Ceci est sans doute dû à l évaporation du camphre (le camphre est peu soluble dans l eau).sa concentration à l interface doit donc vite redescendre Une Application : l émulsion La tension de surface étant abaissée, l ajout de savon dans un mélange de deux liquides non miscibles va favoriser le phénomène d émulsion gouttelettes du liquide 1 dans le liquide 2. En outre, les gouttes obtenues seront plus petites (en effet, plus les gouttes sont nombreuses et petites, plus l aire de l interface est grande...). Pour illustrer ce phénomène, on insère une goutte de 1 dans 2. En contrôlant les courants dans 2, on va déformer la goutte de 1. En particulier, lorsqu on l étire et que l on relâche la contrainte, la goutte ne reprend pas exactement sa forme initiale. Il existe même un seuil de déformation où la goutte se divise spontanément. L expérience montre que si des tensio-actifs sont présents, le

3 phénomène de division de la goutte initiale en gouttelettes a lieu plus facilement, et les gouttelettes sont plus nombreuses et plus petites. 2) Propriétés détergentes 2.1 Le mouillage : γ EH θ γ SH γ SE L équilibre des trois forces de tension de surface donne l angle teta. Si du savon vient sur l interface substrat extérieur, γ SE diminue et la goutte se referme sur elle même. La surface de contact substrat goutte diminue et il lorsque teta =180, la goutte se détache du substrat. Voici une petite expérience : on prend de l'huile silicone, très visqueuse et on trempe dedans une forme en fil de fer qui se recouvre ainsi d'huile. On plonge ensuite la forme dans l'eau savonneuse. On remarque alors qu'à la surface de la forme des gouttes sont créées, l'adhérence de l'huile diminue ainsi. Quand on agite, l'huile se décolle de la forme. Ainsi le savon va à l'interface entre l'huile et l'eau et la partie hydrophobe de ses molécules se fixe sur les lipides. Cela abaisse les forces de tension superficielle et facilite le mouillage. 2.2 La flottation C'est un procédé qui permet de séparer, a partir du minerai, le O-Fe qui nous intéresse, de la gangue. On place le minerai dans un fluide puis on choisit le savon pour qu'il permette au minerai de remonter à la surface du fluide et à la gangue de rester en profondeur. On fait alors des bulles dans le fluide savonneux. A la surface se créé une mousse que l'on retire avec un râteau et qui contient le minerai.

4 θ = 180 θ > 90 θ < 90 On voit ici l importance de l angle téta lorsqu on veut séparer deux phases par flottation. 3) Les films de savon θ = 0 Un film de savon vertical n est à priori pas stable : il tombe. C est la tension de surface due à une répartition inhomogène des molécules de savon qui lui permet de tenir. Film instable Film stable

5 Quand on place un film de savon verticalement, on observe avec les figures d'interférences deux mouvements : un mouvement global de molécules du à la gravité, créant un courant vers le bas, des molécules qui remontent! Ceci vient du fait que le bord du cadre est plus épais que le film. Il apparaît donc une courbure qui joue un rôle de pression négative et aspire le film vers le haut Les films de savons ont aussi la propriété d être très résistants : Quand on envoie un projectile comme une goutte d'eau sur un film de savon, celui-ci peut rebondir, ou passer à travers sans que le film ne se casse. Dans les cas extrêmes, le film est détruit. On peut imaginer un dispositif où on dispose d'une colonne dans laquelle des films de savon sont créés a intervalle régulier (comme un bambou dont les nervures seraient le lieu des films). Si on envoie un projectile dans ce dispositif, celui-ci va traverser un certain nombre de films, étant ralenti progressivement, jusqu'à rebondir sur l'un d'entre eux. Un tel dispositif pourrait avoir des applications pour le déminage par exemple, ou l'on entourerait l'explosif de mousse qui absorberait les projections. Conclusion : L intérêt des hommes pour le savon est très ancien, ses propriétés détergentes ont tout de suite servi les hommes. Pourtant après plusieurs milliers d années d études beaucoup de ses propriétés sont mal comprise et beaucoup d autres applications sont à découvrir.