Ce travail se situe en marge : les études voisines portent sur les gouttes, mais sous d'autres angles (gouttes élastiques entières, élasticité d'une solution sur du verre, pluie et microplastiques, cristaux temporels). Ici, il s'agit de la rupture d'un filament liquide avec rhéologie de surface, ce qui est plus proche de l'hydrodynamique classique que des thèmes adjacents. Les tentatives précédentes pour supprimer les gouttes satellites exigeaient soit un équipement complexe (méthodes actives avec optimisation de la forme du signal), soit modifiaient la viscosité ou la viscoélasticité volumique, ce qui réduisait la fenêtre des paramètres de travail et risquait de colmater les buses. Les agents de surface étaient connus pour influencer la rupture du filament, mais les tensioactifs de faible masse moléculaire ne faisaient que ralentir l'amincissement sans éliminer complètement les satellites. Les tensioactifs macromoléculaires, comme les protéines, forment à la surface une couche gélifiée dotée de sa propre viscoélasticité, mais les preuves expérimentales de leur capacité à supprimer totalement les gouttes satellites manquaient.
Les expériences ont été réalisées avec des solutions aqueuses d'albumine sérique bovine (BSA) dans un tampon NaCl. La concentration en protéines variait de 0.001 à 5 g/L, et le temps de vieillissement de la surface de 100 à 600 secondes, afin de contrôler le degré d'adsorption et donc la viscoélasticité de surface. Un filament cylindrique de rayon 0.32 mm et d'une longueur d'environ quatre rayons était maintenu entre deux aiguilles émoussées, laissé au repos pendant le temps imparti pour former la couche de protéines, puis le liquide était lentement étiré, provoquant un amincissement quasi statique et la rupture. Le processus était filmé par une caméra à haute vitesse. La tension superficielle était mesurée par la méthode de la goutte pendante, la rhéologie de cisaillement de surface par un rhéomètre rotatif avec un module à double anneau en mode oscillatoire, et la rhéologie de dilatation de surface par la méthode de la goutte pendante oscillante. Pour contrôler l'effet Marangoni, des expériences ont été menées avec un tensioactif de faible masse moléculaire, le dodécylbenzènesulfonate de sodium (SDBS), jusqu'à la concentration micellaire critique. De plus, un modèle théorique unidimensionnel a été construit, incluant les équations de continuité, de Navier-Stokes et les contraintes de surface selon le modèle de Boussinesq-Scriven, et résolu numériquement par la méthode des différences finies avec un schéma WENO d'ordre cinq.
À une concentration de BSA de 0.001 g/L, le filament se rompt comme un liquide pur : le minimum de rayon se déplace vers les deux transitions filament-perle, formant un double col qui détache une goutte satellite. Mais dès 0.1 g/L, le col reste au centre du filament jusqu'à la rupture, et les gouttes satellites disparaissent complètement. Le nombre d'Ohnesorge dans toutes les expériences était de 0.006 à 0.008, c'est-à-dire que l'écoulement était pratiquement non visqueux, de sorte que la suppression des satellites ne peut pas être expliquée par des effets volumiques. Les expériences de contrôle avec le SDBS ont montré un comportement identique à celui du liquide pur, ce qui exclut le rôle des contraintes de Marangoni. Les mesures de rhéologie de surface ont révélé que la viscosité de cisaillement de surface de la BSA à la fréquence caractéristique de 100 Hz atteint environ $10^{-2}$ mPa·s·m, soit trois ordres de grandeur de plus que celle des tensioactifs de faible masse moléculaire. Le module de dilatation de surface était de 50 à 70 mN/m. La modélisation numérique a reproduit l'élimination des satellites et a montré qu'à un stade avancé de l'amincissement, la force visqueuse de cisaillement de surface équilibre la force capillaire, supprimant les effets non linéaires d'inertie qui, dans un liquide pur, déplacent le point d'amincissement maximal du centre. Cela maintient le point d'amincissement le plus rapide au centre du filament, empêchant la formation d'un double col. L'élasticité de dilatation joue un rôle auxiliaire : elle raccourcit le filament et empêche l'apparition de nouveaux cols. Pour le rayon du col près de la rupture, une loi d'échelle a été établie : le rayon minimal est proportionnel au temps avant rupture divisé par le nombre d'Ohnesorge de surface.
Ce travail se distingue des études voisines par la première démonstration expérimentale de l'élimination complète des gouttes satellites grâce à la viscoélasticité de surface, plutôt qu'à la rhéologie volumique ou au contrôle actif. Les recherches adjacentes portaient sur des gouttes rebondissant entièrement, l'étalement sur du verre ou le lancement de microplastiques par la pluie ; ici, on étudie la rupture d'un filament avec une couche de protéines en surface, ce qui est nouveau pour ce groupe. Le modèle théorique et la loi d'échelle fournissent une explication quantitative qui manquait auparavant. Cela comble le fossé entre la théorie, qui prédisait la dominance de la viscosité de surface, et les données expérimentales.
Le sujet pourrait évoluer vers des rhéologies de surface plus complexes : couches de protéines mixtes, particules, polymères. Il serait possible d'étudier l'influence de la viscoélasticité de surface sur d'autres topologies de rupture : gouttes lors de collisions, bulles, jets. Il est prometteur d'étendre le modèle aux écoulements tridimensionnels et de prendre en compte l'adsorption hors équilibre. L'optimisation des concentrations et des temps de vieillissement pour des fluides technologiques spécifiques présente un intérêt pratique.
Les résultats pourraient avoir un impact direct sur l'impression jet d'encre, la microfluidique, la bio-impression et la lithographie en ultraviolet extrême, où les gouttes satellites dégradent la qualité et contaminent l'équipement.
La prochaine étape consistera à tester l'approche sur des têtes d'impression et des encres réelles, ainsi qu'à étudier la stabilité à long terme des couches de protéines dans des conditions industrielles.
En hydrodynamique des surfaces libres, la question du rôle précis des différentes composantes de la viscoélasticité de surface (cisaillement et dilatation) dans la singularité de détachement reste ouverte. Ce travail montre que la viscosité de cisaillement de surface domine à un stade avancé, mais le tableau complet pour des rhéologies arbitraires n'est pas encore établi.
Cette section s'adresse à l'auteur du travail et à ses collègues. Les travaux voisins ont été trouvés par une recherche sémantique dans notre archive, et non par correspondance de mots. Nous n'évaluons pas : nous montrons le champ autour.
Ce que fait ce travail
Ce travail étudie expérimentalement et numériquement la suppression des gouttelettes satellites lors de la rupture d'un filament liquide portant une couche adsorbée d'albumine de sérum bovin. Il est montré que la viscoélasticité de surface, en premier lieu la viscosité de cisaillement, maintient le col du filament en son centre et élimine complètement la formation de satellites. Une loi d'échelle pour l'amincissement auto-similaire est dérivée et confirmée par la simulation.
Où est sa force
Ce travail fournit un mécanisme expérimental et théorique direct de suppression passive des gouttelettes satellites via la rhéologie de surface, sans modifier les propriétés volumiques du liquide. Cela ouvre la voie à un contrôle simple de la rupture des filaments en microfluidique et en impression par jet d'encre.
Vers où avancer
À essayer
Pourquoi cela peut compter
Si le mécanisme s'avère universel pour différentes macromolécules tensioactives, cela offrirait un moyen simple et peu coûteux d'éliminer les défauts dans l'impression par jet d'encre, la bio-impression et les dispositifs microfluidiques, sans équipement complexe.
Travaux voisins dans notre archive
L'archive est vide autour de ce travail : l'analyse la plus proche n'est qu'à 0.51, contre 0,64 d'ordinaire. Il semble qu'on ait peu foré à côté.
L'ajout de protéines à une concentration de seulement 0.02 à 0.1 gramme par litre (20 à 100 parties par million) élimine complètement les gouttes satellites, ce qui équivaut à dissoudre une pincée de poudre d'œuf dans un seau d'eau.