Fluides complexes Chapitre 1 : Introduction

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Michelle Martin
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1 Fluides complexes Chapitre 1 : Introduction N.Vandewalle, Professeur Ordinaire, Université de Liège

2 1. Etats de la matière Gaz : - pas de cohésion mais collisions - faible densité 1 kg/m 3 - compressible pv = Nk B T U = 0 Liquide : - cohésion modérée, phase condensée - densité élevée 1000 kg/m 3 - coule v 2 /2 = p 0 U < 1 ev fluides Solide : - cohésion élevée - densité élevée U > 1 ev 1000 kg/m 3 - déformations k 2 /2 = E

3 2. Fluides complexes (exemples) Définition : matière qui s écoule selon des lois qui diffèrent de celles provenant de la physique classique. Bizarrerie #1 : tas de sable - couche roulante / immobile - avalanches / intermittence - grains statiques liquide ou solide? P.G.De Gennes, Rev. Mod. Phys. 71, S374 (1999)

4 Bizarrerie #2 : bulles d air dans du sirop / shampoing / gel I.L.Kliakhandler, Phys. of Fluids 14, 3375 (2002) bulles pointues et connectées!!!

mayonnaise - recette : huile, eau, oeufs - pourquoi on peut rater la mayonnaise?

5 Bizarrerie #3 : pâte dentifrice - la pâte coule quand on presse le tube - la pâte tient sur la brosse à dent solide au repos, liquide sous contrainte Bizarrerie #4 : mayonnaise - recette : huile, eau, oeufs - pourquoi on peut rater la mayonnaise? un fluide plus visqueux que ses constituants? A. Einstein, Ann. Phys. (Leipz.) 19, 371 (1906)

6 Bizarrerie #5 : sang - sang a la propriété : v - permet au coeur d envoyer du sang dans les petits vaisseaux. - le sang contient des globules. G.Thurston, Biophys. J. 12, 1205 (1972) viscosité varie avec la vitesse d écoulement

Bizarrerie #7 : fluides fonctionnalisés - ferrofluides (champ B) - cristaux liquides (champ E)

7 Bizarrerie #6 : mémoire de l écoulement - filet de miel ou de sirop - observations d enroulements - pas de coalescence immédiate un fluide qui ne coalesce pas avec lui-même? Bizarrerie #7 : fluides fonctionnalisés - ferrofluides (champ B) - cristaux liquides (champ E) - polymères (adhésion) formes artistiques contre-intuitives R.E.Rosensweig, Ferrohydrodynamics (Dover, 1997)

Fluids 43, 737 (2007) - tracking des bactéries : PIV - effets collectifs :

8 Bizarrerie #8 : nage collective de bactéries 1 µm J.Adler and W.W.Tso, Science 184, 1292 (1974) L.H.Cisneros et al., Exp. Fluids 43, 737 (2007) - tracking des bactéries : PIV - effets collectifs : «nématic phase»? - micromélangeurs (~1µm) comment décrire les effets collectifs observés dans des fluides «vivants»?

9 Bizarrerie #9 : fluides vivants : colonies de bactéries E.Ben-Jacob et al., Nature 373, 566 (1995) - croissance de la colonie à partir du centre - arborescences - structures complexes / effets collectifs? comment font les bactéries indépendantes pour générer de telles structures?

10 3. Rationalisation (tentative) - présence de particules : suspensions, pâtes, grains, particules autopropulsées, etc... Elles sont en contact ou en interaction. particules inertes ou vivantes - La structure moléculaire doit jouer un rôle : molécules allongées (cristaux liquides), longues molécules entremêlées (polymères, gels).

11 Classement des fluides complexes : une première tentative - structurés à l échelle moléculaire : nm > à l équilibre thermodynamique > polymères, cristaux liquides, membranes, gels,... > diagrammes de phases et transitions - systèmes multiphasiques - structure à l échelle particulaire : µm > hors équilibre : gd 4 k B T > poudres, pâtes, émulsions, mousses,... > systèmes riches, alimentés par l imagination des scientifiques - systèmes vivants : µm > hors équilibre : aggrégation, self-propulsion > protéines, bactéries, cellules, flagelles... > systèmes artificiels?

50Structures 60 80 à 90 l échelle 100 moléculaire 40 70 diagrammes de phases très riches llaire Température ( C) 80 70 60 50 40 30 20 10 phase micellaire + H20 phase micellaire Chapitre 3 phase

Mais d autres phases intermédiaires existent, telles que des phases rhomboédriques (3D) ou des phases 2D autres qu hexagonale (rectangle ou oblique).

12 50Structures à 90 l échelle 100 moléculaire diagrammes de phases très riches llaire Température ( C) phase micellaire + H20 phase micellaire Chapitre 3 phase hexagonale phase lamellaire phase cubique Ia3d phase micellaire groupe d espace Ia 3 d, aussi bien pour les phases directes et inverses. Mais d autres phases intermédiaires existent, telles que des phases rhomboédriques (3D) ou des phases 2D autres qu hexagonale (rectangle ou oblique). 1 Par exemple, les diagrammes de phase des tensioactifs cationiques C 16 TABr et C 16 TACl (Fig 2-6) présentent plusieurs phases intermédiaires. 0 La séquence est la même pour les phases dites inverses, où la courbure de l interface est cette ux : H20 + C12EO5 cristaux : H20 + C12EO6 fois-ci négative. Pour -10 passer des phases directes aux phases inverses, on échange les rôles des tion de C12EO5 (poids %) deux milieux, polaire et apolaire. Concentration de C12EO6 (poids %) phases directes phases inverses Micellaire 3D hex 2D intermédiaire 3D lamellaire phase

13 Systèmes multiphasiques : diagramme ternaire Particules Solides pâtes empilements suspensions granulaires poudres colloïdes grains humides poussières Liquide Gaz émulsions mousses

14 Particules «vivantes» H.C.Berg and D.A.Brown, Nature 239, 500 (1972) - bactérie (1µm) : D bact 100 µm 2 /s - bille inerte (1µm) : D bille 0.4 µm 2 /s les effets thermiques sont clairement négligeables!

4. Applications - Rhéologie (Bingham, 1929) : étude de la

.. - Physique statistique : désordre, cohésion,

15 4. Applications - Rhéologie (Bingham, 1929) : étude de la déformation et des écoulements. - Géophysique : boues, lave, neige, sables mouvants... - Médecine : bave, sang, bactéries, protéines,... - Physique statistique : désordre, cohésion, micro-macro - Chimie des polymères : synthèse et structure des molécules lave bactéries du yahourt cristal liquide

.. - Cosmétique : poudres, crèmes, gels,.

16 Branches industrielles concernées : - Agroalimentaire et pharmaceutique : émulsion, poudres, suspensions,... - Construction : bétons, argiles, sols,... - Cosmétique : poudres, crèmes, gels,... - Chimique : plastiques, peintures, poudres, mousses, poussières, fumées,... secteur pharma secteur chimique secteur chimique

17 5. Objectifs du cours Découvrir la physique des fluides complexes Comprendre l origine de ces phénomènes bizarres Laboratoire : élaborer une activité ludique en rhéophysique Réaliser un poster sur un sujet d actualité

18 6. Plan du cours 1. Introduction 2. Eléments de Rhéologie 3. Mélanges diphasiques gaz-solide 4. Mélanges diphasiques liquide-fluide 5. Mélanges diphasiques solide-liquide 6. Surfactants, polymères et gels 7. Systèmes exotiques 8. Matière active

19 7. Références du cours Articles scientifiques (récents ou remarquables) Livres de vulgarisation :

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