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

Abstract

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.