Des physiciens de l’Institut Lumière Matière conduisent des expériences sur l’évaporation de l’eau dans des vols du CNES recréant la micropesanteur.

Elle n’a pas encore soutenu sa thèse mais a déjà volé 270 fois en apesanteur : la jeune physicienne Alexandra Mailleur n’a pas vraiment un parcours de thésarde typique. Il faut dire que le protocole de recherche mis en place par l’équipe qui l’accueille n’est pas très “typique”, lui non plus. “Nous étudions la manière dont les gouttelettes d’eau s’évaporent quand elles se trouvent sur un substrat soluble (sel, plâtre…)”, résume le Professeur Jean Colombani, physicien (spécialité liquides aux interfaces) à l’Université Claude Bernard Lyon 1. “Le sujet paraît simple mais le phénomène est très complexe !”. Et pour répondre aux nombreuses questions qu’il pose à la physique, Jean Colombani et son complice Christophe Pirat, comme lui membre de l’Institut Lumière Matière (iLM), ont trouvé une alliée inattendue : l’apesanteur. “Nous réalisons tout simplement nos manipulations dans un avion du Centre National d’Etudes Spatiales”, sourit Jean Colombani.

L’apesanteur pour faciliter l’observation

D’après le Professeur Colombani, l’évaporation des gouttes d’eau est un sujet abondamment travaillé ces dernières années, pour sa complexité comme pour ses très nombreuses applications (impression jet d’encre et nettoyage de surfaces diverses par exemple). Elle suscite un grand nombre de publications, la plus fameuse étant signée du physicien américain Robert Deegan. L’article de Deegan, paru en 1997 dans Nature et cité près de 2 500 fois depuis (énorme pour une publication de ce niveau), porte sur l’ “effet tache de café” : il a montré pour la première fois pourquoi et comment une goutte de liquide qui s’évapore laissera une trace ronde, constituée par un dépôt de matière.

“Il y a trois phénomènes à l’œuvre”, détaille Jean Colombani. “L’évaporation bien sûr, la convection soluto-gravitationnelle, c’est-à-dire les mouvements du liquide en fonction de la gravité et des différences de concentration de matière, et enfin la précipitation du dépôt sur la surface.” Jean Colombani et Christophe Pirat en ont ajouté un quatrième : la dissolution. “Nous développons une approche différente en observant comment se dissout le substrat sur lequel la goutte est déposée.” Le résultat : un “effet tache de café” obtenu avec de l’eau pure, le substrat (ici du sel) fournissant la matière au dépôt. Pourquoi étudier ce phénomène en micropesanteur ? Pour minimiser au maximum l’effet de la convection soluto-gravitationelle, très difficile à isoler, et mieux observer et comprendre les étapes de l’évaporation et de la formation du dépôt.

Vingt secondes chrono pour conduire la manip’

Le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales) est “le seul centre spatial du monde à proposer des vols paraboliques avec une assistance scientifique poussée”, souligne Jean Colombani : chaque vol embarque une douzaine d’équipes de recherche dans des domaines allant de la physique fondamentale à la psychologie, accompagnées de personnel du CNES : un médecin urgentiste, une équipe de parachutistes, des opérateurs pour les manipulations… Exception culturelle française oblige, chaque vol embarque également un artiste travaillant sur un projet culturel spécifique : “Nous avons volé une fois avec un violoncelliste, une fois avec une écrivain… C’est très varié !”, s’amuse Jean Colombani.

Le vol dure trois heures, pendant lesquelles 30 paraboles sont réalisées, pour autant de séquences de micropesanteur d’une durée d’une vingtaine de secondes chacune. C’est court pour faire évaporer une goutte d’eau : l’équipe de Jean Colombani et Christophe Pirat a donc mis au point un disque en cuivre chauffé à 60° par des résistances, et marqué de 30 encoches. Une minuscule goutte (un demi-microlitre) est déposée sur chacune avec une seringue, et son évaporation filmée par trois caméras. “Peu après le décollage, comme dans un vol commercial, le signal lumineux s’éteint et nous pouvons quitter nos sièges. Tout le monde se précipite sur sa manip’ car nous n’avons que vingt minutes pour tout mettre en place avant la première parabole !”, raconte le chercheur.

Une recherche très fondamentale

L’équipe de Jean Colombani et Christophe Pirat a commencé à travailler dans l’avion du CNES en 2015. L’agence leur a accordé quatre campagnes de vol. Elles durent deux semaines, la première semaine étant consacrée à la préparation, la seconde aux vols proprement dits (une journée de briefing puis trois matinées dans l’avion). Travailler en situation de micropesanteur demande certains réflexes : lors de son premier vol, le physicien a reposé la clé Allen qu’il venait d’utiliser… et elle s’est immédiatement “envolée”. “La première fois, il nous a fallu une bonne semaine pour caler la manip’, maintenant une journée ou deux peuvent suffire. Quand on intègre le programme, on reçoit un cahier des charges mais il est tellement spécifique qu’il est impossible de penser à tout : les équipes du CNES nous font donc refaire l’expérience pour comprendre comment elle fonctionne et l’adapter à leurs critères de sécurité. On privilégie le sertissage à la soudure, par exemple, pour une meilleure étanchéité”. Pour les mêmes raisons de sécurité, le “free floating” (le fait de se laisser flotter en apesanteur) n’est autorisé que dans une zone réservée de l’avion.

Alexandra Mailleur soutiendra sa thèse fin 2016, après une dernière campagne de vols paraboliques en septembre. Les images d’évaporation et précipitation réalisées pendant les vols, à raison d’une image prise toutes les 200 millisecondes, sont d’une étonnante beauté, quelque part entre le paysage lunaire et le flocon de neige. Les substrats sur lesquels elles sont déposées sont de minuscules cristaux de sel, que l’équipe polit au papier abrasif et à la soie avant usage car l’étalement du dépôt dépend de la rugosité du cristal : “On pourrait travailler avec des gouttes moches”, résume Jean Colombani, “mais ce serait plus difficile à interpréter.” Quelles sont les applications de cette recherche ? “A très long terme, on peut imaginer qu’elle serve à la préservation du patrimoine, en maîtrisant mieux les effets de l’eau sur le bâti… Mais c’est essentiellement une recherche fondamentale. La résolution de problème nous passionne, faire avancer la science aussi !”

Pour aller plus loin
L’Institut Lumière Matière (CNRS, Université Claude Bernard Lyon 1) est un pôle interdisciplinaire d’excellence basé sur la synergie entre la physique, la chimie et leurs interfaces (ingénierie, biologie, santé, environnement). La recherche suit une approche multi-échelle : des molécules aux matériaux, de l’optique aux nanosciences. L’iLM développe des compétences et outils pour l’élaboration de matériaux et l’étude de leurs propriétés optiques, électroniques, mécaniques, thermiques, rhéologiques.

Cléo Schweyer

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Laborantine en chef

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