Les mousses liquides sont omniprésentes dans notre vie quotidienne, visibles dans les shampooings et les cappuccinos, et moins visibles dans la production de matériaux légers, d'insonorisation ou d'isolation. Elles sont également appelées à jouer un rôle crucial dans la transition vers une économie plus durable, par exemple dans les procédures avancées de séparation et de purification des éléments des terres rares.
Pourtant, les mousses sont des systèmes incroyablement complexes. Leurs propriétés, qui dépendent de caractéristiques structurelles s'étendant sur plusieurs ordres de grandeur, ainsi que leur instabilité intrinsèque, en font un sujet d'étude passionnant et ardu. Comprendre la structure de la mousse et son évolution dans le temps est à la fois primordial pour le développement d'applications et d'un intérêt fondamental.
Grâce à l'utilisation de plusieurs techniques ciblant les différentes échelles de longueur pertinentes, un niveau de compréhension inédit des mousses liquides pourra être atteint dans les années à venir. Les méthodes de diffusion s'avèrent des outils indispensables au sein de cet arsenal technique. En particulier, à des échelles inférieures au micromètre, la diffusion aux petits angles présente des avantages uniques pour résoudre la structure de la mousse, offrant des informations précieuses sur son comportement. Grâce à des techniques d'analyse avancées, elle permet également la détermination simultanée de plusieurs paramètres structurels avec une résolution temporelle exceptionnelle. Cela permet de suivre les mécanismes de vieillissement de la mousse avec une précision inégalée.
Aujourd'hui, une part importante de la communauté de recherche sur les mousses, principalement intéressée par la résolution de questions de recherche appliquée, n'exploite pas encore pleinement ces outils. Heureusement, les efforts continus des grandes installations visant à élargir la communauté d'utilisateurs et à rendre les expériences de diffusion et l'analyse ultérieure des données plus accessibles devraient permettre une utilisation accrue de ces méthodes pour répondre aux questions de recherche appliquée à l'avenir.
Cette partie de la revue souligne davantage la motivation de l'auteur : "j'espère que ce travail, qui met en évidence le potentiel des grands instruments pour relever des défis sociétaux critiques liés aux mousses liquides, encouragera les scientifiques et l'industrie du monde entier à collaborer avec nous." Un excellent exemple est la cellule à mousse SANS, un instrument conçu sur mesure et co-développé par le partenariat ILL/ESRF pour la matière condensée molle (PSCM). Cet outil innovant permet la caractérisation de la mousse à la fois à l'échelle macroscopique et microscopique. Il combine des mesures SANS pour l'analyse structurelle avec des mesures de conductivité et de macrophotographie. Il est important de noter que la même cellule peut être utilisée pour des expériences sous faisceau et hors faisceau, offrant ainsi une flexibilité pour les études en laboratoire. Ce matériel de pointe a déjà été utilisé par cinq groupes de recherche cette année, dont trois équipes externes. "Au-delà des études structurelles par SANS, les techniques d'écho de spin permettent d'obtenir des informations sur la dynamique de la mousse, tandis que la réflectométrie permet de sonder l'interface air/eau", souligne Leonardo Chiappisi. "Cette configuration innovante, associée à un cadre d'analyse plus robuste, fait progresser de manière significative la capacité de la communauté scientifique à caractériser les mousses liquides." Les applications potentielles de cette recherche sont vastes et couvrent tout : des agents nettoyants et de la valorisation des déchets (électroniques et nucléaires) aux protéines végétales et aux matériaux isolants. Un défi majeur consiste à créer des mousses stables mais destructibles pour diverses applications. Les développements futurs porteront non seulement sur l'analyse des données, mais aussi sur les types de questions scientifiques abordées grâce à la diffusion neutronique et synchrotron sur les mousses liquides. L'accent sera probablement mis sur des systèmes colloïdaux plus complexes, y compris les mousses stabilisées par des protéines que l'on trouve dans de nombreux produits alimentaires. |
Fig 1. Dispositif à mousse utilisé pendant une expérience de diffusion neutronique à l'ILL. La même colonne de mousse, couplée à des mesures de conductivité et de macrophotographie, peut être utilisée aussi bien pour l'expérience qu'en laboratoire. |
Le Partenariat ILL/ESRF pour la matière condensée molle (PSCM) offre un soutien aux scientifiques internes et aux utilisateurs des deux centres de recherche. Le PSCM donne accès à un large éventail d'équipements pour la préparation et la caractérisation d'échantillons de matière molle. Du volumemètre à l'analyse thermique en passant par la diffusion de la lumière et la spectroscopie optique, 30 instruments sont disponibles. Le PSCM fait partie de l'ensemble exceptionnel de laboratoires utilisateurs et d'installations de support présents sur le campus de l'EPN, offrant un niveau d'expertise et une gamme d'équipements peu commune dans les grands instruments. Environ 30 à 40 % des propositions d'expériences scientifiques de l'ILL dans le domaine de la matière molle et de la biologique sont soutenues par le PSCM. |
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Figure 2 : Représentation schématique d'une expérience SAXS typique sur des films de mousse individuels et d'une expérience SANS sur une mousse tridimensionnelle. La diffusion aux petits angles permet de sonder efficacement la structure de la mousse liquide à des longueurs caractéristiques allant jusqu'à 100 nm. Le rayonnement neutronique et synchrotronique peuvent tous deux être utilisés pour sonder la structure de films liquides individuels ou de mousses tridimensionnelles.
Dans de nombreux cas, le choix entre les deux types de rayonnement est dicté par les conditions de contraste. Les rayons X sont sensibles à la densité électronique de l'échantillon, tandis que la section efficace de diffusion des neutrons varie irrégulièrement avec le numéro atomique. Cette particularité des neutrons est particulièrement précieuse pour l'étude de la matière molle dans les systèmes biologiques, où le remplacement de l'hydrogène par du deutérium permet de mettre en évidence certaines parties de l'échantillon.
Pour les mousses et les films liquides minces, les expériences menées sur des films liquides minces individuels sont principalement réalisées à l'aide d'un rayonnement synchrotron de haute brillance, tandis que les investigations structurales des mousses tridimensionnelles à l'échelle nanométrique sont généralement effectuées à l'aide de rayonnement neutronique. L'avantage réside dans le fait que le faisceau de neutrons mesure généralement quelques dizaines de millimètres, ce qui le rend plus adapté pour sonder la structure tridimensionnelle moyenne des mousses liquides. Cela permet d'examiner plusieurs centaines de bulles et de films de mousse, ce qui se traduit par des données statistiques suffisantes.
Lien vers l'article:
Leonardo Chippisi, Liquid Foams: New Insights and Perspectives from Neutron and Synchrotron Scattering Experiments, Current Opinion in Colloid & Interface Science,
2024, 101823, ISSN 1359-0294, doi.org/10.1016/j.cocis.2024.101823.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359029424000414)