Apollonian emulsions - coalescence in high internal-phase-ratio emulsions

Les émulsions Apolloniennes - la coalescence dans des émulsions à haut rapport de phase interne On a étudié des émulsions à haut rapport de phase interne (HIPEs), dont la fraction volumique d’huile dispersée faisait phi=0.95, et la phase continue était une solution aqueuse de tensioactif non-ionique, le monododecyl éther d’hexaéthylène glycol (C12E6). Suivant la concentration du C12E6, on a obtenu 2 types de HIPEs, qualifiés de « solide » ou de « liquide ». Dans les HIPEs formulées à fort taux de C12E6 (> 8% dans la phase continue), les gouttes se déforment en polyèdres séparés par des films minces de la phase continue. Grâce à ces films, ces HIPEs se comportent comme un « solide élastique » sous cisaillement et elles sont rhéofluidifiantes au-delà du seuil d’écoulement. En réduisant le taux de tensioactif à moins de 3%, on a permis à l’HIPE de coalescer, ce qui a engendré une structure non observée auparavant : les gouttes restent sphériques sans déformation et remplissent tout l’espace grâce à une population extrêmement polydisperse dont la distribution des diamètres, n(a), s’exprime comme une loi de puissance : n(a)~a^(-(df+1)). df est la dimension fractale de l’ensemble des gouttes et vaut toujours 2.48-2.50 après une semaine d’évolution dans ces HIPEs « liquides ». Cette valeur est très proche de celle d’un empilement Apollonien des sphères (RAP). En effet, on a confirmé par la diffusion des rayons-X que les gouttes de ces HIPEs pauvres en tensioactif s’empilent comme un RAP. Il s’agit de la première fois depuis 2200 ans qu’on a réussi à fabriquer un empilement Apollonien dans un système réel. Ces émulsions Apolloniennes sans films minces s’écoulent spontanément comme un liquide visqueux Newtonien ; un comportement auparavant inconnu dans des émulsions à phi > 0.6. Les HIPEs Apolloniennes sont exceptionnellement métastables et persistent au-delà d’un an, malgré la croissance des gouttes par la coalescence. L’aire totale des émulsions Apolloniennes augmente avec le temps, ce qui indique un mécanisme évolutif différent de la coalescence des émulsions diluées. Par la simulation numérique, on a trouvé que deux gouttes qui coalescent dans une émulsion Apollonienne engendrent de nombreuses gouttelettes sphériques par la fragmentation, afin de remplir de façon optimale des vides aux alentours, tout en minimisant l’énergie élastique dans le système. On a nommé ce mécanisme « la coalescence-fragmentation ». Elle a lieu parce que les tensioactifs rejetés lors de la coalescence ne peuvent pas être accommodés par le peu de phase continue dans une HIPE, à risque de provoquer une augmentation conséquente du potentiel chimique. Ces tensioactifs en excès peuvent alors se loger sur des interfaces qui viennent d’être créées. La création des gouttelettes sphériques est favorisée par rapport à la déformation mutuelle entre les grosses puisque celle-là est moins couteuse en énergie libre. On a ainsi postulé qu’un empilement Apollonien soit un minimum local thermodynamique.