Des paysages chimiques insoupçonnés à micro-échelle dans les milieux poreux

Soumis par Isabelle Dubigeon le jeu 11/06/2020 - 11:21
ARTICLE DANS PNAS
La dynamique chaotique du transport dans les milieux poreux révélée par une expérience originale
La dynamique chaotique du transport dans les milieux poreux

Les écoulements dans les milieux poreux sont au cœur de nombreux systèmes environnementaux, industriels et biologiques. En transportant et mélangeant molécules, particules et micro-organismes, ces flux complexes donnent lieu à de nombreux couplages et réactions biogéochimiques. Ces processus sont très sensibles aux gradients chimiques qui souvent persistent bien en dessous des échelles de Darcy et même du pore, échelles caractérisant les plus petites hétérogénéités structurales des milieux poreux. À l’heure actuelle, les dynamiques de transport et de mélange contrôlant l’intensité et la taille des gradients chimiques dans les milieux poreux restent largement incomprises. Dans une étude expérimentale parue dans PNAS en mai 2020, des chercheurs de Géosciences Rennes/OSUR ainsi que de la RMIT University (Melbourne, Australia), ont pu mettre en évidence la présence de phénomènes chaotiques dans le transport de molécules, phénomènes capables de maintenir des gradients chimiques bien en deçà de l’échelle du pore.

La circulation des fluides dans les milieux poreux conditionne le transport, le mélange et la réaction de la matière inerte et vivante dans un large éventail de systèmes naturels (aquifères, milieux fracturés, sols) et industriels (réacteurs, chromatographie, batteries redox, piles à combustible). Les modèles actuels de transport reposent sur une hypothèse d’homogénéité des paysages physico-chimiques au-dessous de l’échelle caractéristique des milieux poreux, ou échelle de Darcy. Ainsi, la représentation du mélange par un coefficient de dispersion effectif moyen ignore les fluctuations persistantes sous l’échelle de Darcy, menant à d’importantes erreurs dans la prédiction de processus chimiques et biologiques contrôlés par les gradients physico-chimiques.

Jusqu’à aujourd’hui, on ignorait comment le transport des fluides dans des structures poreuses complexes et tridimensionnelles pouvait contrôler l’apparition de gradients chimiques à l'échelle microscopique. Grâce à des expériences menées à l’université de Rennes 1, les chercheurs ont obtenu pour la première fois des images expérimentales à très haute définition du mélange de deux fluides dans un empilement aléatoire de billes, l’archétype du milieu poreux. Ces images originales (Figure 1 et Vidéo 1) mettent en évidence un mécanisme original et systématique de mélange dit « chaotique » qui repose sur l’étirement et le repliement de l’interface de contact entre les fluides. Ce processus permet de maintenir des gradients de concentration forts bien en dessous de l'échelle des pores. Fait inattendu, leurs expériences ont révélé que ces dynamiques chaotiques étaient entièrement contrôlées par les zones de contact entre les billes, offrant la possibilité d’une quantification de l’efficacité du mélange par une simple caractérisation géométrique du milieu poreux.

Au-delà du paradigme de transport dispersif actuel, ces résultats démontrent les potentialités d’un nouveau modèle moyen de mélange, reposant sur les statistiques des gradients chimiques à l’échelle du pore et leur évolution sous l’effet des dynamiques d’étirement et de repliement.

Ce modèle aux bases physiques offre de nombreuses perspectives quant à la prévision des processus de transport réactif dans les milieux poreux naturels et artificiels, ainsi qu’au contrôle de leurs propriétés de mélange par la modification de leur géométrie.

>>> Pour en savoir plus, voir sur le site de l'OSUR

Isabelle Dubigeon
jeu 11/06/2020 - 11:40