Fluid interfaces

Creation and rupture of thin liquid films: floating and interfacial bubbles

Contacts : Laurent Courbin, Pascal Panizza, Eric Guicquel

Thin liquid films, such as soap films and bubbles, have been studied extensively over the centuries as they impact a wide range of natural phenomena and processes in diverse fields such as physics, chemistry, and engineering. In the department, we study the formation of interfacial bubbles - bubbles on a liquid-gas or solid-gas interface – often seen on the ground after a storm and involved in the production of aerosol droplets across the oceans when ruptured [1]. Important for natural processes, these bubbles can be detrimental to industrial ones, such as glass manufacturing in which bubbles have to be removed before the material solidifies. In this context, we develop experimental setups allowing us to thoroughly investigate the formation and stability interfacial bubbles. For instance, we study their formation when withdrawing a circular wire ring from a bath of soap solution, or highly viscous silicone oil, ring and liquid-gas interface being parallel to each other. The process creates an axisymmetric soap film that becomes unstable above a critical height and collapses to leave a planar film on the ring and an interfacial bubble in contact with the bath [2]. We also study the creation of these bubbles when the ring that holds the planar film is moved back into the pool of liquid [3]. In this case, experiments show that the film deforms upward as the ring becomes close enough to the liquid-gas interface, and the entry of the ring in the liquid results in the formation of an interfacial bubble whose size is studied as a function of the ring size, the speed at which the ring moves and the fluid properties.

Interfacial bubbles

Thin liquid films are very popular and they are a major source of entertainment when they come in the form of soap bubbles. Blowing soap bubbles with a child’s wand is indeed an activity that can be fascinating for people at any age. Yet, despite the tremendous use of soap bubbles for either scientific, educational or entertainment purposes, how these curved liquid films form when air is blown gently on a soap film spanning a bubble wand has surprisingly remained an unanswered question. In order to determine the key factors governing the formation of soap bubbles, we have developed an original experimental setup in the department: a bubble machine [4]. Indeed, when one blows bubbles with a simple commercial bubble wand, the film spanning the want quickly bursts after a few bubbles are formed as the material needed to make them is exhausted. Besides, this simple configuration does not allow one to control the film’s thickness over time. Inspired by experimental investigations of two-dimensional turbulence, our bubble machine revolves around the use of vertically falling and giant (meter-high) soap films. These fluid systems are long lived films having a controllable and uniform steady state thickness. Using a nozzle connected to a pressure regulator as an artificial mouth, we have demonstrated that bubbles form only when the gas speed exceeds a threshold. This speed is a function of confinement, that is, the ratio between gas jet and soap film sizes, and dissipation in the turbulent gas jet which is a function of the distance from the film to the nozzle emitting the gas jet [5].

Floating bubbles

References:
[1] J. C. Bird, R. de Ruiter, L. Courbin, and H. A. Stone, Nature 465, 759 (2010), Folding films, inverse coarsening, and the bubble-bursting cascade. See also a commentary by Geoff Brumfiel in Nature News (June 9th 2010), how the bubble bursts.
[2] L. Salkin, A. Schmit, P. Panizza, and L. Courbin (cover article), Am. J. Phys. 82 839 (2014), Influence of boundary conditions on the existence and stability of minimal surfaces of revolution made of soap films.
[3] L. Salkin, A. Schmit, R. David, A. Delvert, E. Gicquel, P. Panizza, et L. Courbin, Phys. Rev. Fluids 2, 063604-10 (2017), Interfacial bubbles formed by plunging thin liquid films in a pool.
[4] L. Salkin, A. Schmit, P. Panizza, et L. Courbin (PRL Editors' Suggestion), Phys. Rev. Lett. 116, 077801 (2016), Generating soap bubbles by blowing on soap films. See also the Focus by E. Conover, Physics 9, 21 (2016), Physics of blowing bubbles.
[5] P. Panizza et L. Courbin, Physics Today 69(7), 69 (2016), Blowing bubbles by the numbers.

Aqueous foam acoustics

contacts : B. Dollet, J. Crassous, A. Saint-Jalmes

Il s'agit ici de mesurer et de comprendre la propagation d'un son dans une mousse liquide, en fonction des paramètres de la mousse et de ceux du son. Ce projet a démarré dès 2006, et il a mis près de 10 ans a convergé, permettant d'obtenir aujourd’hui une vision détaillée de la propagation du son dans une mousse. Ceci a été notamment possible grâce à un financement de l'ANR (« Samousse » / 2012-2016) via lequel nous avons pu collecter une grande quantité de résultats en couplant différents méthodes de mesure, un contrôle avancé des échantillons de mousses, et des compétences théoriques complémentaires.


Légende de la figure : Son dans une mousse à une frequence de 40 kHz : partie réelle et imaginaire du vecteur d’onde et vitesse du son en fonction de la taille des bulles. Le comportement non monotone observé traduit une résonance, dépendant de la fréquence d’excitation et séparant deux régimes limites. Les lignes solides représentent l’ajustement par le modèle théorique.

Différent régîmes de propagation ont ainsi été  mis en évidence, montrant le rôle de chaque élément de la structure d'une mousse (canaux liquides 'lourds' et films minces 'légers'). Chaque élément répond alors au passage de l'onde avec ses propres modes de vibration, qui se couplent les uns aux autres pour induire le comportement global de la mousse. 
Nous avons ainsi déterminer un premier régime dit de «Wood » à petites taille de bulle (ou basse fréquence) où le squelette de la mousse oscille en bloc. A l'opposé, le régime dit de « Kahn » est obtenu à large taille de bulle (haute fréquence) où seuls les films minces oscillent librement, sans que le réseau de canaux liquides ne puisse « suivre » ce mouvement. Entre ces deux limites, une résonance apparaît et correspond au cross-over où films et canaux liquides oscillent en opposition de phase, entraînant une très forte dissipation (et un regime dit de « densité effective négative »). 
Nous avons pu aussi complexifier la formulation chimique des mousses de manière à modifier pas à pas les propriétés viscoélastiques en volume et à la surface des bulles. In fine, nos résultats montrent que ces viscoélasticités interfaciales et volumiques jouent finalement peu sur la propagation acoustique ultrasonore. Ces resultats ouvrent aussi aujourd'hui la porte à des mesures non-intrusives sur une mousse :  la fraction de liquide peut être mesurée de façon absolue, et l'épaisseur in situ de films liquides peut aussi être déduite. 

Enfin, J. Crassous à l'IPR a aussi conçu un montage pour mesurer optiquement l’amplitude des déplacements acoustiques au coeur d’une mousse. La mesure est extraite de l’impact de ces déplacements acoustiques sur les fonctions d’auto-corrélations obtenues en diffusion multiple de la lumière (par une approche nommée « synchronized DWS »). Cette approche originale permet de mesurer des déformations locales infimes (<10-4) à des fréquences de quelques centaines de Hz, fournissant ainsi des informations rhéologiques dans des gammes de déformation non atteignables par des techniques de rheométrie classiques.

Ces travaux ont été notamment récompensés par le Prix « La recherche-Physique » en 2015 

références récentes :

  • “propagation of ultrasound in aqueous foams : bubble size dependance et resonance effects”  I. BenSalem, R.M. Guillermic, B. Dollet, A. Saint-Jalmes, Soft Matter, 9, 1194 (2013). DOI: 10.1039/c2sm25545f
  • “Sound propagation in liquid foams: Unraveling the balance between physical and chemical parameters”  Juliette Pierre, Brice Giraudet, Patrick Chasle, Benjamin Dollet, and Arnaud Saint-Jalmes . Physical Review E  91, 042311 (2015). DOI: 10.1103/PhysRevE.91.042311
  • “Synchronized diffusive-wave spectroscopy: Principle and application to sound propagation in aqueous foams” Jérôme Crassous, Patrick Chasle, Juliette Pierre, Arnaud Saint-Jalmes, Benjamin Dollet Physical Review E , 93, 032611 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevE.93.032611
  • “the acoustics of liquid foams” Florence Elias, Jerome Crassous, Caroline Derec, Benjamin Dollet, Wiebke Drenckhan, Cyprien Gay, Valentin Leroy, Camille Nous, Juliette Pierre, Arnaud Saint-Jalmes ; Current Opinion in Colloid & Interface Science, Elsevier, 2020, pp.101391. DOI : 10.1016/j.cocis.2020.101391

Physical-chemistry of foams and emulsions : production, stability and reactivity

Contacts: A. Saint-Jalmes, I. Cantat

Our main goal is to conceive new types of liquid foams and emulsions, which behavior (in terms of stability, texture,...) differ from those of standard dispersions.  Therefore, we have to use more complexe formulations than simple surfactant solutions. 
Different routes have been tested : new types of interfacial stabilizers (soft or rigid colloids, polymers,...), doping the bulk with supramolecular arangements, use of non-aqueous fluids,... For all cases, a multi-scale approach allows us us to understand how the chemical formulation sets the macroscopic behavior.  

non-classical pictures of bubbles and drops

From this starting point, our second goal is to use these strong coupling between the micro- and macro scales in foams and emulsions to produce responsive materials ; meaning materials which are able to react - significantly and reversibly - to basic changes of the external conditions, or to more dedicated stimuli. Recently, we focused on photo- and thermo-responsive systems.

Under UV, upward liquid flow inside a vertical film stabilized by photo-responsive surfactants

caption : 
vertical liquid film stabilized by photo-responsive surfactants ; once enlighted by UV, Marangoni flows are induced, eventually refilling the film, and overcoming the gravitational flows. 

recent references : 

- non-aqueous and thermo-responsive foams  (with BIA/ INRA-Nantes et North Carolina State Univ.): 

  • “Smart Non-Aqueous Foams from Lipid-Based Oleogel” Fameau, Anne-Laure; Lam, Stephanie; Arnould, Audrey; Gaillard, Cedric; Velev, Orlin D., Saint Jalmes, Arnaud.  Langmuir, 31, 13501 (2015). DOI: 10.1021/acs.langmuir.5b03660
  • « Non-aqueous foams: Current understanding on the formation and stability mechanisms » Anne-Laure Fameau, Arnaud Saint-Jalmes, Advances in Colloid and Interface Science, 247, 454 (2017).DOI:10.1016/j.cis.2017.02.007

- food stabilizing agents and dispersions  (with  STLO / INRA-Rennes) : 

  • “Development of casein microgels from cross-linking of casein micelles by genipin”  N. F. Nogueira Silva, A. Saint-Jalmes, A.F. de Carvalho, F. Gaucheron, Langmuir, 30, 10167 (2014).DOI: 10.1021/la502274b
  • « Gradual disaggregation of the casein micelle improves its emulsifying capacity and decreases the stability of dairy emulsions »  F. Lazzaro, A. Saint-Jalmes, F. Violleau, C.Lopez, M. Gaucher-Delmas, E. Beaucher, F. Gaucheron, Food Hydrocolloids,  63, 189 (2017). DOI:10.1016/j.foodhyd.2016.08.037

- photo-responsives systems (with D. Baigl (ENS-chimie, Paris) and  Cecile Monteux (SIMM-espci)) : 

  • “droplet manipulation by chromocapillary effects”  A. Diguet, R.M. Guillermic, N. Magome, A. Saint-Jalmes, Y. Chen, K. Yoshikawa, D. Baigl  Angewandte Chemie Int. Ed. , 48 (49), 9281 (2009). DOI: 10.1002/anie.200904868

“Light induced flows opposing drainage in foams and thin-films using photosurfactants”  Eloise Chevallier, Arnaud Saint-Jalmes, Isabelle Cantat, François Lequeux, Cécile Monteux,  Soft Matter, 9, 7054 (2013). DOI: 10.1039/c3sm50258a

- Production and design of responsive foams : 

  • “Responsive Aqueous Foams”  Anne-Laure Fameau, Adrian Carl, Arnaud Saint-Jalmes and Regine von Klitzing.  ChemPhysChem, 16, 66 (2015).DOI: 10.1002/cphc.201402580
  • “The science of foaming”  Wiebke Drenckhan and Arnaud Saint-Jalmes. Advances in Colloid and Interface Science, 222, 228 (2015). DOI: 10.1016/j.cis.2015.04.001
  • “Designing responsive foams with adjustable temperature threshold of destabilization”,  Anne-Laure Fameau, Fabrice Cousin, Romain Derrien and Arnaud Saint-Jalmes. Soft Matter, 2018, DOI: 10.1039/C8SM00190A

Soluble surfactant spreading and Marangoni flows

Contact: Arnaud Saint-Jalmes, Isabelle Cantat

The local deposition of soluble surfactants on a pure water substrate induces a surface tension gradient ; such a gradient provides a macroscopic bulk flow, which is an example of a vast family of flow, known as 'Marangoni' flows. 
We have shown that we can determine - from the macroscopic features of these flows - some physico-chemical information about the surfactants themselves. For instance, the finite spreading distance provides a measurement of the critical micellar concentration (cmc) of the surfactant. 

As well, if the same deposition/spreading experiment is performed at the oil-water interface, the out-of-equilibrium surface tension gradient can be inferred from the vertical deformation of the interface. 

emulsion spreading on pure water (side view)

references :

Marangoni flow of water-soluble surfactants.
M. Roché, Z. Li, I. M. Griffith, S. Le Roux, I. Cantat, A. Saint-Jalmes, H. A. Stone
Phys. Rev. Lett. 112, 208302 (2014) .

Sebastien Le Roux, Matthieu Roché, Isabelle Cantat, Arnaud Saint−Jalmes.
Soluble surfactant spreading: How the amphiphilicity sets the Marangoni hydrodynamics.
Physical Review E, 2016, 93, 013107 (2016).

Stability of a directional Marangoni flow.
Corentin Tregouët, Arnaud Saint-Jalmes
Soft Matter, Royal Society of Chemistry, 2020, 16 (38), pp.8933-8939. ⟨10.1039/D0SM01347A⟩

oil-water interfacial deformation induced by Marangoni flows

Reference :
Enhanced interfacial deformation in a Marangoni flow: a measure of the dynamical surface tension.
R. Leite Pinto, S. Le Roux, I. Cantat, and A. Saint-Jalmes
Phys. Rev. Fluids, 3, 024003 (2018).

 

Shockwave in aqueous foams

Contacts: Isabelle Cantat, B. Dollet, A. Saint-Jalmes

nous avons étudié de façon systématique 1/ la propagation d'une onde de choc (produite par un prototype 'home-made' de tube a choc) dans une mousse liquide, en fonction des paramètres de cette mousse (taille de bulle et fraction de liquide). et 2/ la destruction de ces mousses par cette onde de choc.

L'approche expérimentale se base sur le couplage entre des mesures optiques par camera rapide et des mesures par capteurs de pression, disposés le long de l'axe de propagation.

Nos études ont démontré l'origine thermique de la dissipation, et l'existence d'une taille de bulles optimale pour l’atténuation. Cette atténuation est ainsi optimale lorsque la taille des bulles correspond à l’épaisseur de la couche limite thermique dans le gaz. En accord avec cette compréhension de l'atténuation, nous avons montré que la nature du gaz joue effectivement un rôle important. Il apparaît aussi que, dans les limites des petites bulles et des amplitudes faibles du choc, le régime de Wood mis en évidence dans les études d'acoustique linéaire est retrouvé.


légende de la photo : Vue de dessus de l’effet d’une onde de choc dans une mousse d’épaisseur 4 cm et de diamètre 20cm. Un volume de mousse est détruit, après qu'une onde se propage radialement dans la mousse. (La bande noire verticale correspond au tube à choc arrivant dans la mousse).

réferences : 

"Influence of bubble size and thermal dissipation on compressive wave attenuation in liquid foams« 
 M. Monloubou, A. Saint-Jalmes, B. Dollet, Isabelle Cantat, EPL, 112, 34001 (2015).

Blast wave attenuation in liquid foams: role of gas and evidence of an optimal bubble size
M. Monloubou, Myrthe Bruning, A. Saint-Jalmes, B. Dollet, I. Cantat, Soft Matter, 12, 8015 (2016)

Flows in thin liquid films

Contact : Isabelle Cantat, Arnaud Saint-Jalmes, Adrien Bussonniere, Antoine Berut, Evgenia Shabalina; ERC disfilm

 

Référence: Velocity field in a vertical foam film. J. Seiwert, R. Kervil, S. Nou, I. Cantat Phys. Rev. Lett. 118 p.048001 (2017)

étirement de film liquide

Référence : Extension of a suspended soap film: a two step process J. Seiwert, M. Monloubou, B. Dollet, I. Cantat. Phys. Rev. Lett 111 p. 094501 (2013) pdf

Biomolécules at liquid interfaces

Références

  • Le Floch-Fouéré C, Pezennec S, Pasco M, Paboeuf G, Renault A, Beaufils S Journal of Colloid and Interface Science 437, 219 (2015)
  • Y. Desfougères, A. Saint-Jalmes, A. Salonen, V. Vié, S. Beaufils, S. Pezennec, B. Desbat, V. Lechevalier, F. Nau Langmuir (2011) 27, 14947-14957

Fluid interfaces as model of biological membranes

Contacts : Véronique Vié, Sylvie Beaufils, Gilles Paboeuf

References :

M. Derde, F. Nau, C. Guérin-Dubiard, V. Lechevalier, G. Paboeuf, S. Jan, F. Baron, M. Gautier, V. Vié “Native lysozyme and dry-heated lysozyme interactions with membrane lipid monolayers: Lateral reorganization of LPS monolayer, model of the Escherichia coli outer membrane” BBA - Biochimica et Biophysica Acta, Biomembrane, 1848, Issue 1, Part A, 174-183, 2015,

M. Derde, F. Nau, V. Lechevalier, C. Guérin-Dubiard, G. Paboeuf, Sophie Jan, Florence Baron, M. Gautier, V. Vié “Native and dry-heated lysozyme interactions with membrane lipid monolayers: lipid packing modifications of a phospholipid mixture, model of the E. coli cytoplasmic membrane.” BBA – Biochimica et Biophysica Acta, Biomembrane, 1848, Issue 4, 1065-1073, 2015

M. Derde, V. Vié , A. Walrant, S. Sagan, V. Lechevalier, C. Guérin‐Dubiard, S. Pezennec, M‐F Cochet, G. Paboeuf, M. Pasco, F. Baron, M. Gautier, S. Jan, F. Nau “Antimicrobial activity of lysozyme isoforms: Key molecular features” Biopolymers, 107:e23040, 2017

C. Bourlieu, G. Paboeuf, S. Chever, S. Pezennec, J-F Cavalier, F Guyomarc’h, A Deglaire, S Bouhallab, D Dupont, F Carrière, V Vié “Adsorption of gastric lipase onto multicomponent model lipid monolayers with phase separation” Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 143, 97-106, 2016

Microphotonics for detecting soft matter processes

Contacts:

  • Bruno Bêche (bruno [dot] becheatuniv-rennes1 [dot] fr), Institut de Physique de Rennes, IPR CNRS.
  • Hervé Lhermite, Institut d’Electronique et des Télécommunications de Rennes, IETR CNRS.
  • Véronique Vié, Institut de Physique de Rennes, IPR CNRS
  • Arnaud Saint-Jalmes, Institut de Physique de Rennes, IPR CNRS
  • Lucas Garnier, Institut de Physique de Rennes, IPR CNRS

 

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Résonateur

 

Sphingomyéline1

Sphingomyéline2

 

 

"Microphotonics for monitoring the supramolecular thermoresponsive behavior of fatty acid surfactant solutions" R. Castro-Beltrán, Lucas Garnier, A. Saint-Jalmes, Hervé Lhermite, H. Cormerais, Anne-Laure Fameau, Eric Gicquel, Bruno Bêche. Optics Communications, Elsevier, 2020, 468, pp.125773. ⟨10.1016/j.optcom.2020.125773⟩

"About monitoring the dynamics of phase transition in food and biology by microphotonics: detecting soft-matter process" Lucas Garnier, Rigoberto Castro-Beltran, A. Saint-Jalmes, H. Lhermite, Anne-Laure Fameau, Véronique Vié, Eric Gicquel, Hervé Cormerais, Bruno Bêche

Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering, SPIE, The International Society for Optical Engineering, 2020, Integrated Photonics Platforms: Fundamental Research, Manufacturing and Applications, V11364, pp.113641T.1-8. ⟨10.1117/12.2564645⟩