Un étudiant universitaire a récemment résolu une question qui a intrigué les physiciens depuis plus d'un demi-siècle: pourquoi les bulles de gaz semblent-elles rester coincées à l'intérieur de tubes verticaux étroits? La réponse peut aider à expliquer le comportement des gaz naturels piégés dans les roches poreuses.
Il y a des années, les physiciens ont remarqué que les bulles de gaz dans un tube suffisamment étroit rempli de liquide ne bougeaient pas. Mais c'est "une sorte de paradoxe", a déclaré l'auteur principal John Kolinski, professeur adjoint au département de génie mécanique de l'EPFL.
En effet, la bulle de gaz est moins dense que le liquide qui l'entoure, elle devrait donc s'élever jusqu'au sommet du tube (tout comme les bulles d'air dans un verre d'eau pétillante s'élèveront vers le haut). De plus, la seule résistance à l'écoulement dans un liquide survient lorsque ce liquide se déplace, mais dans ce cas, le fluide est immobile.
Pour résoudre le cas de la bulle tenace, Kolinski et Wassim Dhaouadi, qui était à l'époque un étudiant en génie travaillant dans le laboratoire de Kolinski et qui termine actuellement une maîtrise à l'ETH Zurich, ont décidé de l'explorer en utilisant une méthode appelée "microscopie par interférence". " Cette méthode est la même que celle utilisée par le détecteur LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) pour détecter les ondes gravitationnelles, a déclaré Kolinski.
Mais dans ce cas, les chercheurs ont utilisé un microscope sur mesure qui éclaire la lumière sur l'échantillon et mesure l'intensité de la lumière qui rebondit. Parce que la lumière rebondit différemment en fonction de ce qu'elle frappe, les mesures de la lumière qui rebondit peuvent aider les chercheurs à déterminer l'épaisseur d'un matériau. De cette façon, ils ont sondé une bulle flottante piégée à l'intérieur d'un mince tube rempli d'un alcool appelé isopropanol. L'alcool leur a permis d'avoir une "expérience d'auto-nettoyage", ce qui était nécessaire car les résultats auraient été gâchés par tout type de contamination ou de saleté, a déclaré Kolinski.
À partir d'un scientifique nommé Bretherton dans les années 1960, les chercheurs ont sondé ce phénomène théoriquement, mais il n'a jamais été directement mesuré auparavant. Certains calculs suggèrent que la bulle est entourée d'une couche extrêmement mince de liquide touchant les côtés du tube, qui diminue lentement de taille et finit par disparaître, a déclaré Kolinski. Cette fine couche créerait une résistance au mouvement de la bulle alors qu'elle tente de s'élever.
Les chercheurs ont en effet observé cette très fine couche autour de la bulle de gaz et l'ont mesurée à environ 1 nanomètre d'épaisseur. C'est ce qui stoppe le mouvement de la bulle comme l'avaient prédit les travaux théoriques. Mais ils ont également constaté que la couche liquide (qui se forme parce que la pression dans la bulle de gaz pousse contre les parois du tube) ne disparaît pas, mais reste à tout moment à une épaisseur constante.
Sur la base de leurs mesures de la mince couche de fluide, ils ont également pu calculer sa vitesse. Ils ont constaté que la bulle de gaz n'était pas du tout bloquée mais se déplaçait plutôt "extraordinairement lentement", à un rythme invisible à l'œil nu, en raison de la résistance causée par la couche mince, a déclaré Kolinski. Cependant, ils ont également constaté qu'en chauffant le liquide et la bulle, ils étaient capables de faire disparaître la couche mince - une nouvelle idée qui pourrait être "excitante" à explorer dans de futures recherches, a-t-il ajouté.
Leurs résultats pourraient aider à informer le domaine des sciences de la terre. "Chaque fois que vous avez un gaz confiné dans un milieu poreux", comme du gaz naturel dans une roche poreuse, ou si vous essayez d'aller dans la direction opposée et de piéger le dioxyde de carbone à l'intérieur de la roche, alors vous avez beaucoup de bulles de gaz qui sont dans espaces confinés, a déclaré Kolinski. "Nos observations sont pertinentes pour la physique de la façon dont ces bulles de gaz sont confinées."
Mais l'autre partie de l'excitation est que cette étude montre que "vous pouvez avoir des gens à toutes les étapes de leur carrière qui apportent de précieuses contributions", a déclaré Kolinski. Dhaouadi "a conduit le projet vers un résultat positif", a déclaré Kolinski.
Les résultats ont été publiés le 2 décembre dans la revue Physical Review Fluids.
