Auditorium of the Bibliothèque
Nicolò Galvani, doctorant dans l’équipe Physico-chimie et dynamique des surfaces
Coarsening of bubbly suspensions and foams: the interplay of capillarity and yield stress
Résumé
Cette thèse explore la dynamique de murissement des dispersions de bulles dans des solutions aqueuses de tensioactifs et des émulsions concentrées, qui servent ici de modèles pour les fluides à seuil. Les mousses liquides, courantes dans diverses industries, jouent un rôle clé dans des applications allant de l’alimentation à la construction, où leurs faibles densités, grandes surfaces spécifiques et propriétés isolantes sont valorisées. Cependant, contrôler leur microstructure lors de la solidification reste un défi, en particulier en raison des mécanismes de vieillissement des mousses tels que le drainage, la coalescence et le murissement. Le murissement, qui se définit par le transfert de gaz des petites bulles vers les plus grosses, est particulièrement difficile à arrêter. L’objectif de cette thèse est d’étudier comment les fluides à seuil d’écoulement influencent le murissement des mousses humides et des liquides bulleux, en anticipant qu’un seuil de mise en écoulement suffisamment élevé pourrait contrer la croissance des bulles.
Les travaux se basent sur des expériences menées à la fois sur Terre et en microgravité, à bord de la Station Spatiale Internationale (ISS), ce qui permet d’étudier le murissement des bulles sur une large gamme de fractions liquides, allant des mousses sèches aux liquides bulleux dilués. Au sol, l’évolution de la structure de la mousse est observée par vidéo-microscopie à la surface de deux cellules de vieillissement montées sur un clinostat : l’une classique, à volume fixe, et l’autre à pression osmotique contrôlée, spécialement construite pour cette étude. En microgravité, les expériences ont été réalisées lors de la première mission de l’instrument Soft Matter Dynamics. Nous mesurons la taille et la morphologie des bulles individuelles sur des images acquises au cours du murissement, en utilisant des outils de traitement d’image et d’analyse avec des méthodes d’apprentissage automatique. Nous montrons que la distribution naturelle des tailles de bulles d’une mousse humide simple au cours de son murissement dans l’état stationnaire est hiérarchique, avec un réseau de bulles en contact et une population de petites bulles se déplaçant dans les interstices que font apparaître les premières. Une découverte clé est la transition abrupte au point de jamming entre le comportement de murissement des mousses humides, qui suit une loi de croissance parabolique de la taille moyenne des bulles, et celui des liquides bulleux, qui suit une loi de croissance cubique. De plus, nous étudions le taux de murissement moyen des bulles en fonction de la fraction liquide et montrons comment celui-ci est modifié par l’effet des petites forces adhésives observées entre les bulles. Une conséquence majeure de ces forces est que le changement de régime de murissement est observé pour une fraction liquide plus grande que celle qui caractérise le Random Close Packing des bulles sphériques.
Nous étudions le murissement des émulsions moussées en fonction de la contrainte seuil de l’émulsion et de la fraction liquide de la mousse. Nos résultats montrent comment le taux de murissement est amorti par la plasticité de l’émulsion et permettent d’évaluer les conditions d’arrêt du murissement. Notre analyse présente un diagramme complet du murissement, basé sur le nombre de Bingham et la fraction volumique de liquide, identifiant cinq régimes de murissement distincts selon trois caractéristiques : la loi de croissance moyenne, le murissement des bulles individuelles et la morphologie des bulles. Cette thèse contribue de manière significative à la compréhension de la transition entre les régimes capillaire et plastique dans les dispersions de bulles et propose des modèles pouvant décrire le comportement de murissement dans divers fluides à seuil d’écoulement.
Abstract
This dissertation explores the coarsening dynamics of bubble dispersions in both simple surfactant solutions and concentrated emulsions, which serve as model yield stress fluids. Liquid foams, prevalent in diverse industries, are key in applications from food to building construction, where their low density, high surface area, and insulation properties are valued. However, controlling their microstructure during solidification remains a challenge, especially due to foam aging mechanisms such as drainage, coalescence, and coarsening. Coarsening, driven by gas transfer from smaller to larger bubbles, is particularly difficult to arrest. The aim of this thesis is to investigate how yield stress fluids affect coarsening of wet foams and bubbly liquids, with the hypothesis that a sufficiently high yield stress could counteract bubble growth.
The research is based on experiments conducted both on Earth and in microgravity aboard the International Space Station (ISS), which allows to investigate bubble coarsening across a wide range of liquid fractions—from dry foams to dilute bubbly liquids. On ground, the evolution of the foam structure is observed by videomicroscopy at the surface of two ageing cells mounted on a clinostat, a classical one at fixed volume and one at controlled osmotic pressure, specially constructed for this study, whereas in microgravity the experiments were conducted during the first mission of the Soft Matter Dynamics instrument. We measure the size and morphology of individual bubbles on images acquired along the coarsening using image treatment and analysis with machine learning tools. We show that the natural bubble size distribution of a simple wet foam coarsening in the scaling state is hierarchical with a network of bubbles in contact and a population of small bubbles roaming through its interstices. A key finding is the abrupt change at the jamming transition between the coarsening behavior of wet foams, which follows a parabolic growth law for the average bubble size, and that of bubbly liquids, which follows a cubic growth law. Moreover we study the average bubble coarsening rate as a function of the liquid fraction and show how it is modified by the effect of the small adhesive forces observed between bubbles. A major consequence of these forces is that the change in coarsening regime is observed at a liquid fraction higher than that characterizing the Random Close Packing of spherical bubbles.
We study the coarsening of foamed emulsions as a function of the emulsion yield stress and foam liquid fraction. Our results show how the coarsening rate is damped by the plasticity of the emulsion and allow to assess the conditions for coarsening arrest.
Our analysis presents a comprehensive coarsening diagram based on the Bingham number and liquid volume fraction, identifying five distinct coarsening regimes according to three features: the average growth law, the individual bubble ripening, and the bubble morphology. This thesis contributes significantly to understanding the transition between capillary and plastic regimes in bubble dispersions and proposes models that could describe coarsening behaviour in various yield stress fluids.
Jury
- Marie le Merrer (Université Claude Bernard Lyon 1) – Reviewer
- Guillaume Ovarlez (Université de Bordeaux) – Reviewer
- Christophe Raufaste (Université Côte d’Azur) – Examinator
- Frédéric Restagno (Université Paris-Saclay) – Examinator
- Olivier Pitois (Université Gustave Eiffel) – Thesis director
- Sylvie Cohen-Addad (Université Gustave Eiffel) – Thesis co-director
