Chapitre 1 : Introduction Fluides complexes

Fluides complexes
Chapitre 1 : Introduction
N.Vandewalle, Professeur Ordinaire, Université de Liège
1. Etats de la matière
• Gaz : - pas de cohésion mais collisions U = 0
1 kg/m3
- faible densité
- compressible pV = N kB T
• Liquide : - cohésion modérée, phase condensée U < 1 eV
1000 kg/m3
- densité élevée
- coule v 2 /2 = p0
fluides
• Solide : - cohésion élevée U > 1 eV
1000 kg/m3
- densité élevée
- déformations k 2 /2 = E
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)
• Bizarrerie #2 : bulles d’air dans du sirop / shampoing / gel
I.L.Kliakhandler, Phys. of Fluids 14, 3375 (2002)
bulles pointues et connectées !!!
• 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)
• 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 #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)
• 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» ?
• 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 ?
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).
• 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
4
kB T
> hors équilibre : gd
> 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 ?
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• Structures à l’échelle moléculaire
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0
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ation de C12EO2 (poids %)
ellaire
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diagrammes de phases très riches
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Concentration de C12EO3 (poids %)
phase
micellaire
inverse
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phase micellaire
+ H20
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phase
lamellaire
phase
micellaire
Température (°C)
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Chapitre 3
50
phase
lamellaire et inverses. Mais d’autres phases
groupe d’espace Ia
3 d, aussi bien pour les phases directes
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phase
micellaire
directe
pha
phase
intermédiaires existent, telles
que des phases rhomboédriques (3D) ou des phases 2D autres
micellaire
30
se
qu’hexagonale (rectangle ou oblique).1 Par exemple, les diagrammes de phase des tensioactifs
cub
iqu
20
e Ia
phase
) présentent
plusieurs phases intermédiaires.
cationiques C16TABr et C16TACl (Fig 2-6hexagonale
3d
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La séquence est la 0même pour les phases dites inverses, où la courbure de l’interface est cette
aux : H20 + C12EO5
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cristaux : H20 + C12EO6
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fois-ci négative. Pour
passer des phases directes aux phases inverses, on échange les rôles des
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deux milieux, polaire et apolaire.
ation de C12EO5 (poids %)
Concentration de C12EO6 (poids %)
phases directes
phases inverses
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Micellaire 3D
lam
q
ella
cubi
pérature (°C)
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hex
2D
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phase
intermédiaire
micellaire
3D lamellaire
phase
• Systèmes multiphasiques : diagramme ternaire
Particules
Solides
empilements
pâtes
granulaires
suspensions
poudres
colloïdes
grains humides
Liquide
poussières
Gaz
émulsions
mousses
• Particules «vivantes»
H.C.Berg and D.A.Brown, Nature 239, 500 (1972)
- bactérie (1µm) : Dbact ⇡ 100 µm2 /s
- bille inerte (1µm) : Dbille ⇡ 0.4 µm2 /s
les effets thermiques sont clairement négligeables !
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
• 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
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
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
7. Références du cours
• Articles scientifiques (récents ou remarquables)
• Livres de vulgarisation :