(CONTRAT DOCTORAL) Tension interfacielle entre fluides miscibles étudiée grâce à la microfluidique

par Alessandro Carbonaro

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Luca Cipelletti et de Domenico Truzzolillo.

Thèses en préparation à Montpellier , dans le cadre de École Doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015) , en partenariat avec L2C - Laboratoire Charles Coulomb (laboratoire) et de Département Colloïdes, Verres et Nanomatériaux (equipe de recherche) depuis le 30-09-2017 .


  • Résumé

    La tension interfaciale entre les fluides immiscibles est une propriété thermodynamique à l'équilibre bien connue résultant de la différence d'interactions intermoléculaires entre les deux espèces de molécules à l'interface entre deux fluides. Le mathématicien et physicien D. Korteweg [1] ait été le premier, en 1901, à proposer que les contraintes causées par des gradients de densité entre des fluides miscibles pourraient agir comme une tension interfaciale (Gamma_e). Toutefois, pendant plus de 100 ans cette hypothèse n'a pas été vérifiée et elle est toujours débattue. L'existence d'une tension superficielle efficace transitoire a été démontrée dans des expériences de diffusion de lumière [2, 3]. Elle a également été invoquée pour expliquer la forme des gouttes et des bulles sous l'effet de la gravité [4] et dans les mesures de 'spinning drop tensiometry' [5-7], le début d'une instabilité de type Marangoni qui conduit au mélange convectif cellulaire de fluides miscibles [8] et la forme du ménisque entre silicates fondus [9]. De plus, ces tensions jouent un rôle clé dans un large éventail de domaines de recherche à la fois académiques et pratiques [10], des géosciences [11, 12] à l'hydrologie [13], à la récupération du pétrole [14], à la filtration et à l'écoulement dans les milieux poreux [15], l'élimination des fluides [16], l'aquifère et l'assainissement des sols [17, 18]. En dépit de l'importance de Gamma_e dans nombreuses situations, les expériences qui analysent quantitativement la théorie de Korteweg restent rares : très peu de données sont disponibles pour Gamma_e [2, 3, 5-7,19, 20] et la compréhension au niveau théorique de ce phénomène reste limitée. Le sujet de thèse proposée consiste à corréler les contraintes interfaciales dans les fluides miscibles à la structure microscopique et la dynamique de leurs interfaces. Il se base sur la mesure par microscopie optique et confocale du tenseur de taux de cisaillement dans l'écoulement de deux fluides miscible dans un microcanal et sur l'observation d'instabilités hydrodynamiques pilotées par la valeur de Gamma_e. Noues étudieront en particulier l'instabilité de Kelvin-Helmholtz [21] qui se développe lorsque les deux fluides (par exemple une suspension colloïdale et son solvant) s'écoulent côte à côte, mais avec une vitesse différente. D'autres expériences seront effectuées en géométrie radiale 'Hele-Shaw' [19-20, 22-23] pour visualiser et analyser l'instabilité de Saffman-Taylor et mesurer la tension efficace [10-11, 13-14].

  • Titre traduit

    Interfacial tension between miscible fluids: a microfluidic approach


  • Résumé

    The interfacial tension between immiscible fluids is a well-known equilibrium thermodynamic property resulting from the difference in intermolecular interactions between the two species of molecules at the boundary between two fluids. Although the mathematician and physicist D. Korteweg [1] was the first, in 1901, to propose that stresses caused by density gradients in miscible fluids could act as an interfacial tension (Gamma_e), for more than 100 years such hypothesis has been left unverified and is still debated. The existence of a transient effective surface tension has been demonstrated in light scattering experiments [2,3]. It has also been invoked to explain the shape of drops and bubbles under the effect of gravity [4] and in spinning drop measurements [5–7], the onset of a Marangoni-like instability leading to the cellular convective mixing of miscible fluids [8], and the shape of the meniscus between molten silicates [9]. Moreover, such tension plays a key role in a wide range of research fields of both academic and practical interest [10], from geosciences [11, 12] to hydrology [13], oil recovery [14], filtration and flow in porous media [15], fluid removal [16], aquifer and soil remediation [17, 18]. However, in spite of the relevance of Gamma_e in many situations, experiments that quantitatively probe Korteweg's theory remain scarce: very few data are available for Gamma_e [2, 3, 5-7, 10, 19, 20] and our theoretical understanding of this phenomenon is still partial. The subject of the PhD thesis consists in correlating interfacial stresses in miscible fluids to the microscopic structure and dynamics of their interfaces. It leverages on the measurement of the full 2D-shear rate tensor in the co-flow of two miscible fluids, which we will observe by optical and confocal microscopy in a microfluidic device. We will take advantage of the observation of hydrodynamic instabilities that are ruled by Gamma_e. In particular, we will focus on the Kelvin-Helmholtz instability [21], occurring when two miscible fluids (for example a colloidal suspension and its solvent) flow side by side at different velocities. Further experiments will be performed in a radial Hele-Shaw geometry [19-20, 22-23] to visualize and analyze radial viscous fingering and measure the effective tension [10-11, 13-14].