Une nouvelle méthode rend visible l’expansion des gouttes troubles dans l’eau

Lorsque l’on traverse un banc de brouillard, les phares des voitures ne sont d’une aide que limitée, car la lumière est dispersée par les particules d’eau en suspension dans l’air. La situation est similaire lorsque vous essayez d’observer l’intérieur d’une goutte de lait dans l’eau ou la structure interne d’une opale à l’aide de la lumière blanche. Dans tous ces cas, de multiples effets de diffusion de la lumière empêchent l’examen de l’intérieur.

Une équipe de chercheurs de l’Université Johannes Gutenberg de Mayence (JGU) et de l’Université Heinrich Heine de Düsseldorf (HHU) a surmonté cette difficulté et démontré une nouvelle méthode pour étudier l’intérieur d’une goutte cristalline. Leurs conclusions ont été publié récemment dans le journal Matière molle.

L’éclairage monochromatique met en lumière le problème

Lorsqu’on met une goutte d’encre dans l’eau, on connaît tous le résultat : les particules d’encre vont se disperser progressivement par simple diffusion. Il n’en est cependant pas forcément de même lorsqu’on considère une goutte constituée de particules qui se repoussent fortement.

Quelques simulations existent pour certains matériaux assez exotiques comme le plasma poussiéreux qui, comme la matière composant le soleil, est constitué de particules répulsives. Les prédictions concernant les gouttes constituées de particules répulsives en suspension dans un liquide manquaient. Également expérimentalement, toutes les tentatives visant à mesurer le comportement tridimensionnel d’une telle goutte se sont révélées vaines.

Cependant, les chercheurs ont maintenant développé une méthode utilisant des outils de laboratoire très simples qui peuvent être utilisés pour enquêter dans les cas où la lumière blanche ne peut pas pénétrer et où l’utilisation des rayons X ne serait pas opportune. Leur approche exploite le fait que la couleur de la lumière diffusée multiple dépend de la concentration locale de particules. Cet effet est encore renforcé lorsque le matériau est cristallin. Ainsi, les régions de différentes concentrations de particules apparaîtront dans des couleurs différentes.

En principe, les régions concentrées scintillent en bleu vif, d’autres, là où les particules sont plus éloignées les unes des autres, présentent une teinte rougeâtre. En éclairant la goutte avec une lumière blanche, qui est un mélange de différentes longueurs d’onde, toutes les couleurs sont diffusées simultanément et il est pratiquement impossible de déterminer l’origine exacte de chaque couleur dans l’ensemble de la goutte trouble et blanchâtre.

« Nous avons surmonté cette difficulté en éclairant successivement les gouttes avec différentes lumières monochromatiques, c’est-à-dire des lumières de longueurs d’onde individuelles », a expliqué le professeur Palberg de JGU. Pour chaque longueur d’onde, une diffusion multiple ne s’est produite que dans les régions de concentration de particules appropriée, tandis que le reste de la goutte est devenu transparent pour cette longueur d’onde.

« Ainsi, nous sommes en mesure de voir exactement où la lumière rouge ou bleue a été diffusée du plus profond de la goutte. Grâce à notre technique, nous pouvons maintenant, avec un degré élevé de résolution spatiale et temporelle, examiner le profil de densité des gouttes cristallines et troubles. et même celui d’autres médias nuageux.

Par exemple, cette méthode pourrait être utile pour analyser les gradients de concentration de boues sédimentées ou pour déterminer le degré d’homogénéisation obtenu en remuant une peinture diluée avec un solvant.

Profil d’expansion complexe de gouttes cristallines

Dans leur récent article, les chercheurs ont appliqué leur nouvelle méthode pour étudier les gouttes d’une suspension composée de petites sphères de polymère également chargées et donc repoussantes en suspension dans l’eau. Initialement, ces particules interagissent si fortement que la suspension non diluée forme un matériau polycristallin. Une telle suspension ressemble beaucoup en apparence à une opale gemme et présente une très forte diffusion multiple. Cependant, dès qu’une goutte est placée dans l’eau, elle commence à se dilater.

« Grâce à ce travail pionnier, nous avons pu établir que le profil d’expansion de ce matériau cristallin est relativement complexe. Il n’existe ni une densité globale constante avec un bord extérieur défini avec précision, ni un profil de diffusion simple comme on pourrait s’y attendre d’une goutte. de particules non répulsives dans un milieu liquide », a déclaré Palberg.

De plus, il y a initialement une expansion rapide de la sphère cristalline en raison de la répulsion mutuelle entre les particules avant que les cristaux ne se désintègrent au niveau du bord de la goutte en raison de leur dilution, et la goutte commence progressivement à rétrécir.

Pendant que les expériences en laboratoire étaient réalisées à l’Université de Mayence, l’équipe du professeur Hartmut Löwen du HHU entreprenait une modélisation théorique du profil de densité basée sur la théorie fonctionnelle de la densité dynamique.

« Il existe une corrélation prometteuse entre les résultats de l’expérimentation et de la modélisation, ce qui indique le bon pouvoir prédictif de ce type de théorie », a déclaré Löwen.

En fait, le profil de densité calculé montrait également une densité centrale maximale et un gradient de densité radial qui s’aplatissait avec le temps. Remarquablement, même le moment de l’expansion maximale de la goutte cristalline a été prédit avec précision. On peut en conclure que la taille d’une goutte est déterminée par deux processus opposés : elle se dilate continuellement tandis que simultanément elle fond au niveau de son contour.

« L’interaction entre ces deux processus donne lieu à un scénario d’expansion qui diffère en termes qualitatifs de ce qui a été prédit par la modélisation des plasmas », concluent les chercheurs. Ils prévoient désormais de poursuivre leurs recherches en faisant varier systématiquement le niveau de répulsion des particules pour découvrir comment cela influence le profil de densité et la dynamique d’expansion.