Thermo-Hydrodynamique dans les systèmes critiques : instabilités, relaxation et évaporation

Thermo-Hydrodynamics in critical systems : instabilities, relaxation and evaporation

• Auteur / Autrice : Raphael Saiseau
• Direction : Jean-Pierre Delville, Ulysse Delabre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 20/11/2020
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Sakir Amiroudine
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Pierre Delville, Ulysse Delabre, Sakir Amiroudine, Patrick Guenoun, Thierry Ondarçuhu, Laurent Limat, Laurence Gorre-Talini
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Patrick Guenoun, Thierry Ondarçuhu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers

Instabilités hydrodynamiques

Fluctuations (physique)

Interfaces (sciences physiques)

Fluides supercritiques

Matière molle (physique)

Mots clés libres

Fluctuations

Instabilités

Interfaces

Fluides critiques

Matière Molle

Laser

Fluctuations

Instabilities

Interfaces

Critical fluids

Soft Matter

Laser

Résumé

Pour qu’une goutte se forme au bout d’une colonne liquide, celle-ci doit se pincer jusqu’à atteindre l’échelle atomique à la rupture, couvrant de fait toutes les échelles spatiales. Des résultats expérimentaux et théoriques récents montrent que ce phénomène quotidien reste mal compris dès lors que la taille caractéristique du pincement atteint celle des fluctuations thermiques ambiantes. Au cours de ce travail, nous proposons d’approfondir cette problématique de l’importance des fluctuations en considérant des mélanges diphasiques quasi-critiques séparés comme modèle de liquides et interfaces fluctuants et en caractérisant expérimentalement la dynamique de différents mécanismes de retour à l’équilibre: instabilité d’une colonne liquide, relaxation d’une interface et évaporation d’une goutte. En outre l’étude de ces phénomènes a été réalisée dans le cas d’interfaces ultra-molles en faisant varier continûment leurs propriétés hydrodynamiques, thermodynamiques et stochastiques avec l’écart à la température critique. Dans un premier temps, l’interface de mélanges diphasiques quasi-critiques est mise hors équilibre à l’aide de la pression de radiation d’une onde laser pour créer in situ des colonnes liquides et des gouttes. Des outils de détection par analyse d’images spécifiques aux liquides fluctuants proches de leur point critique ont également été développés. On montre alors, contrairement à l’image classique, que la brisure de ligaments liquides, induite par une instabilité de Rayleigh-Plateau, résulte d’une superposition de modes. Ceci nous a alors permis, à l’aide d’une analyse de Fourier dynamique, de retrouver l’intégralité de la relation de dispersion dans le cas d’une déstabilisation spontanée. On montre ensuite dans un travail préliminaire sur l’étalement d’une goutte liquide sur une paroi solide l’existence de deux régimes de retour à l’équilibre : un régime de relaxation non linéaire de la goutte vers une calotte sphérique et un régime auto-similaire de cette calotte caractérisé par une dynamique d’étalement de type Tanner. La présence significative d’évaporation dans la dynamique d’étalement a aussi été observée dans certains cas, ce qui motive un prolongement de ce travail articulé autour d’une modélisation adéquate. Une dernière étude a été menée sur l’évaporation d’une goutte isolée, constituant de fait la première investigation expérimentale sur l’évaporation à paramètre d’ordre conservé, de surcroît dans un liquide binaire proche de son point critique. Contre toute attente, les dynamiques d’évaporation et de remontée de gouttes semblent non conformes à une description diffusive et gravitaire, leur comportement étant notamment indépendant de l’écart à la température critique. L’ensemble de ces comportements a été vérifié sur une large gamme en écarts à la température critique, suggérant un caractère universel au sens des phénomènes critiques. En définitive, les comportements hydrodynamiques ont été bien retrouvés là où les comportements thermodynamiques demeurent incompris, nous interrogeant sur leur couplage notamment par l’intermédiaire des fluctuations thermiques. On notera en revanche qu’il est désormais possible à l’aide des outils mis en œuvre d’avoir accès simultanément à l’échelle macroscopique de la dynamique et à l’échelle microscopique des fluctuations d’interface, ouvrant la voie à une analyse plus complète, multi-échelle, des phénomènes déjà observés lorsque ceux-ci sont dominés par les fluctuations.

To form a drop at the tip of a liquid column, a pinching process has to occur until it reaches the atomic scale at the final break-up, covering all length scales. Some recent experimental and theoretical results show that this common phenomenon is still poorly understood when the pinching reaches the thermal fluctuations length scales. Here, we try to deepen our understanding by using phase separated near-critical binary liquids as model of fluctuating liquids and interfaces and by looking at different relaxation dynamics of out of equilibrium situations: instability of a liquid column, interface relaxation and droplet evaporation. Hence, the study of these phenomena is performed using ultra-soft liquid interfaces and continuously varying hydrodynamic, thermodynamic and stochastic properties with the shift to the critical temperature. In a first step, the interface of these near-critical binary liquids is initially driven out of equilibrium using the radiation pressure of a laser wave in order to create in situ liquid columns and droplets. Dedicated tools for image analysis of near-critical fluctuating fluids were also developed. Then, we show that, contrary to the classical idea, liquid ligaments break-up triggered by Rayleigh-Plateau instability comes from modes superposition. This enables us, using Fourier analysis, to build the full dispersion relation for spontaneous break-up. Secondly, a preliminary work on drop spreading on solid surface established the existence of two dynamical regimes: one nonlinear relaxation mechanism to a spherical cap followed by an auto-similarity behavior of this spherical cap characteristic of Tanner’s spreading. A significant amount of evaporation was also observed in some spreading dynamics, calling for a work extension considering adapted models. A last study was performed on single droplet evaporation. It constitutes the first experimental work on conserved order parameter evaporation, furthermore for near-critical binary liquids. Against all odds, the measured evaporation and droplet rising dynamics seem completely unfit when using diffusion and gravity coupling descriptions. In particular, their behaviors are independent to the proximity to critical point. All these behaviors are verified over a large variation of distances to the critical point. As such, they seem to be universal within the criticality meaning. Eventually, the hydrodynamic behavior are verified when the thermodynamic one stay misunderstood. This raises questions on their coupling by means of thermal fluctuations. Nonetheless, thanks to the developed tools, we are now able to simultaneously get the macroscopic scale of the dynamics and the microscopic scale of interface fluctuations opening the way to more complete, multi-scale, analyses, in the fluctutations dominated case of the already observed phenomena.