Film de savon - Soap film
Les films de savon sont de fines couches de liquide (généralement à base d'eau) entourées d'air. Par exemple, si deux bulles de savon entrent en contact, elles fusionnent et un film mince est créé entre les deux. Ainsi, les mousses sont composées d'un réseau de films reliés par des bordures du Plateau . Les films de savon peuvent être utilisés comme systèmes modèles pour les surfaces minimales, qui sont largement utilisés en mathématiques.
Stabilité
L'expérience quotidienne montre que la formation de bulles de savon n'est pas possible avec de l'eau ou avec un liquide pur. En effet, la présence de savon, qui est composé à l'échelle moléculaire de tensioactifs , est nécessaire pour stabiliser le film. La plupart du temps, les tensioactifs sont amphiphiles , c'est-à-dire qu'il s'agit de molécules ayant à la fois une partie hydrophobe et une partie hydrophile . Ainsi, ils sont disposés préférentiellement à l'interface air/eau (voir figure 1).
Les tensioactifs stabilisent les films car ils créent une répulsion entre les deux surfaces du film, l'empêchant de s'amincir et par conséquent d'éclater. Ceci peut être montré quantitativement par des calculs relatifs à la pression de disjonction . Les principaux mécanismes de répulsion sont stériques (les tensioactifs ne peuvent pas s'entrelacer) et électrostatiques (si les tensioactifs sont chargés).
De plus, les tensioactifs rendent le film plus stable vis-à-vis des fluctuations d'épaisseur dues à l' effet Marangoni . Cela donne une certaine élasticité à l'interface : si les concentrations de surface ne sont pas dispersées de manière homogène à la surface, les forces de Marangoni auront tendance à réhomogénéiser la concentration de surface (voir figure 2).
Même en présence de tensioactifs stabilisants, un film de savon ne dure pas éternellement. L'eau s'évapore avec le temps en fonction de l'humidité de l'atmosphère. De plus, dès qu'un film n'est pas parfaitement horizontal, le liquide s'écoule vers le bas par gravité et le liquide s'accumule au fond. Au sommet, le film s'amincit et éclate.
Importance de la tension superficielle : surfaces minimales
D'un point de vue mathématique, les films de savon sont des surfaces minimales . La tension superficielle est l'énergie nécessaire pour produire la surface, par unité de surface. Un film, comme tout corps ou structure, préfère exister dans un état d'énergie potentielle minimale . Afin de minimiser son énergie, une goutte de liquide dans l'espace libre prend naturellement une forme sphérique, qui a la surface minimale pour un volume donné. Des flaques et des films peuvent exister en présence d'autres forces, comme la gravité et l' attraction intermoléculaire vers les atomes d'un substrat. Ce dernier phénomène est appelé mouillage : les forces de liaison entre les atomes du substrat et les atomes du film peuvent entraîner une diminution de l'énergie totale. Dans ce cas, la configuration d'énergie la plus basse pour le corps serait celle où autant d'atomes de film que possible sont aussi proches que possible du substrat. Il en résulterait un film infiniment mince, infiniment largement étalé sur le substrat. En réalité, l'effet du mouillage adhérent (provoquant la maximisation de la surface) et l'effet de la tension superficielle (provoquant la minimisation de la surface) s'équilibreraient : la configuration stable peut être une gouttelette, une flaque ou un film mince, selon les forces qui agissent sur le corps.
Couleurs
Les couleurs irisées d'un film de savon sont causées par l' interférence des ondes lumineuses réfléchies (à l'intérieur et à l'extérieur), un processus appelé interférence de film mince et sont déterminées par l'épaisseur du film. Ce phénomène n'est pas le même que l'origine des couleurs de l' arc -en- ciel (causé par la réfraction de la lumière réfléchie intérieurement), mais est plutôt le même que le phénomène à l'origine des couleurs d'une marée noire sur une route mouillée.
Drainage
Si les tensioactifs sont bien choisis et que l'humidité atmosphérique et les mouvements d'air sont convenablement contrôlés, un film de savon horizontal peut durer de quelques minutes à quelques heures. En revanche, un film de savon vertical est affecté par la gravité et le liquide a donc tendance à s'écouler, ce qui amincit le film de savon au sommet. La couleur dépend de l'épaisseur du film, ce qui explique les franges d'interférence colorées visibles en haut de la figure 4.
Points noirs
Au cours des derniers stades du drainage, des taches noires aux arêtes vives commencent à se former. Ces taches sont significativement plus fines (< 100 nm) que le film de savon normal, d'où leur couleur noire interférentielle. La formation de points noirs dépend de la concentration du savon, et de plus il existe deux types de films noirs :
- Films noirs courants, d'environ 50 nm d'épaisseur, et
- Les films noirs de Newton, d'environ 4 nm d'épaisseur, nécessitent une concentration en électrolyte plus élevée. Dans ces films, les surfaces extérieures du savon se sont efficacement emboîtées et ont pincé la majeure partie du liquide intérieur.
Au fur et à mesure que le drainage se poursuit, les points noirs finissent par envahir tout le film de savon, et malgré son extrême finesse, le film noir final peut être assez stable et peut survivre pendant plusieurs minutes.
Éclatement
Si un film de savon est instable, il finit par éclater. Un trou se crée quelque part dans le film et s'ouvre très rapidement. La tension superficielle conduit en effet à une minimisation de la surface et donc à une disparition du film. L'ouverture du trou n'est pas instantanée et est ralentie par l'inertie du liquide. L'équilibre entre les forces d'inertie et la tension superficielle conduit à la vitesse d'ouverture : où est la tension superficielle du liquide, est la densité du liquide et est l'épaisseur du film.
Les références
Sources générales
- Ball, Philippe (2009). Formes. Nature's Patterns : une tapisserie en trois parties . Presses de l'Université d'Oxford. pp. 61 -67, 81-97, 291-292. ISBN 978-0-19-960486-9.