Ecoulement par un gradient de pression de surface
En analogie avec les rhéomètres capillaires qui servent industriellement à caractériser les plastiques fondus, il est possible d’imposer un gradient de pression à une monocouche en la comprimant avec une barrière et d’observer son écoulement dans un canal fin197,198 (Figure II-5) : c’est la technique du « channel viscometer ».
Figure II-5 : « Channel viscometer ». Figure provient de de la Référence 199
En pratique, on place des particules à la surface du fluide et on repère leur mouvement à l’intérieur du canal pour déterminer leur profil de vitesse et ainsi la viscosité de surface. Le gradient de pression imposé est mesuré à l’aide de lames de Wilhelmy situées de part et d’autre du canal. Cette technique présente plusieurs désavantages : d’une part, l’étude du mouvement des particules est fastidieux et d’autre part les gradients de pression imposés peuvent modifier sa structure.
Ecoulement causé par la traction de la sous-phase
En géométrie cylindrique, citons le « deep channel viscometer » de Mannheimer et Schechter200 (Figure II-6) qui utilise la traction de la sous-phase pour mettre la surface en mouvement. Un canal circulaire fixe est enfoncé dans une solution contenue dans un récipient
cylindrique. Lorsque le récipient est mis en rotation à l’aide d’un moteur, la sous-phase est mise en mouvement, ce qui exerce une contrainte sur la surface. Le profil de vitesse à la surface est déterminé à l’aide de particules, ce qui est fastidieux. Par rapport au « channel viscometer », cet appareil a l’avantage de ne pas modifier la pression de surface dans la couche.
Figure II-6 : Deep-channel viscometer
Mise en mouvement par la rotation d’une paroi
Poskanzer et al.201, 202 ont mis au point le «wall rotating knife-edge viscometer », dont le principe est de faire tourner un « anneau aiguisé » à la surface de l’eau (Figure II-7-a). La différence de vitesse angulaire entre l’anneau lui-même et une particule placée à la surface du fluide (à l’intérieur de l’anneau) permet d’accéder à la viscosité de surface. C’est encore le mouvement des particules à la surface en régime stationnaire de l’eau qui permet de remonter à la viscosité de surface.
Citons également l’analogue 2D de l’appareil de « Couette », le « knife edge viscometer ». (Figure II-7-b).
a- b-
Figure II-7 :a- « Rotating wall knife edge viscometer ». b- « knife edge viscometer »
Avec cette technique, la solution est contenue dans un récipient cylindrique. Un anneau aiguisé relié à un capteur de torsion est mis en contact avec la surface de l’eau. Le récipient
anneau en rotation anneau en rotation
cylindrique est mis en rotation, ce qui met en mouvement le fluide et la surface. La force de traînée s’exerçant sur l’anneau est mesurée à l’aide du capteur de torsion.
Enfin, Zakri et al.203 ont mis au point un rhéomètre de cisaillement magnétique. Son principe est de mettre en rotation un disque magnétique flottant à la surface de l’eau à l’aide de bobines de Helmoltz créant un champ magnétique perpendiculaire au champ terrestre. Les bobines créent un champ très faible, qui tend à mettre en rotation le disque. Le champ magnétique terrestre exerce alors une force de rappel. Il est ainsi possible de faire osciller le disque avec la fréquence voulue. Un miroir est posé sur le disque, un faisceau laser y est réfléchi qui sert à repérer le mouvement du disque et son déphasage par rapport au champ magnétique.
Translation d’objets flottants
(i) Sphères
Danov et Petkov204 ont repéré le déplacement d’une particule sous l’influence d’un ménisque créé à la surface de l’eau (par l’immersion d’une lame d’hydrophobie contrôlée), et développé un modèle hydrodynamique pour rattacher le mouvement de la bille à la viscosité de la surface. Citons également Regismond et al.205,206 qui ont observé qualitativement le mouvement de particules de talc sous l’action d’un courant d’air exercé à la surface de l’eau. En observant une force de rappel, un mouvement instantané ou retardé par rapport au courant d’air, les auteurs classent les surfaces étudiées dans les catégories « purement élastique », « purement visqueuse », « viscoélastique », ou de viscosité nulle.
(ii) Disque
Barentin et al.207, 208 ont construit un viscosimètre de surface dont le principe consiste à mesurer la force de traînée exercée sur un disque flottant à la surface de l’eau retenu par une fibre de raideur connue. La cuve contenant le liquide est translatée avec une vitesse donnée et le disque, entraîné par ce mouvement, exerce une contrainte sur la tige. La déflection de la tige permet de remonter à la mesure d’une force de traînée. Les auteurs présentent un modèle hydrodynamique prenant en compte le rôle de la sous-phase et de la surface permettant d’extraire les valeurs des viscosités de surface. Leur modèle, basé sur l’équation de Navier- Stokes et l’approximation de lubrification, permet de mesurer de très faibles viscosités de surface (à partir de 10-8 Pa.s.m). Le désavantage de cette technique et de ce modèle est qu’il ne permet pas d’étudier des surfaces visco-élastiques. De plus, des gradients de pression peuvent se créer en avant et en arrière du disque lors de son mouvement, qui peuvent induire une désorption des molécules avec une dynamique à prendre en compte.
(iii) Aiguille
Shahin209 a le premier proposé d’étudier le mouvement longitudinal d’une aiguille sous l’action d’un champ magnétique. Dans une première version, c’est l’observation des particules à la surface de l’eau qui permettait de mesurer la déformation de la surface et donc le taux de cisaillement. L’avantage de l’aiguille par rapport au disque, est que son rapport d’aspect permet une grande sensibilité de la surface par rapport au volume. Cependant, l’utilisation de particules est laborieuse. En 1999, Brooks177, 178 dans l’équipe de G. Fuller a mis au point un rhéomètre interfacial basé sur le même principe : il s’agit de faire osciller longitudinalement une aiguille magnétique à l’aide d’un gradient de champ magnétique oscillant créé par des bobines de Helmoltz. Le mouvement de l’aiguille est repéré à l’aide d’un microscope. C’est avec ce dispositif que nous avons effectué les mesures de rhéologie en cisaillement que nous présentons dans la section « Résultats expérimentaux » de cette partie.