Le nouvel œil du chercheur

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mai 2015
© Stockphoto-grae/Fotolia

Qu’elle soit rapide, infrarouge ou classique, les chercheurs passent derrière la caméra et filment la science en cours.

Régler la luminosité, la vitesse d’obturation, être sûr d’avoir le bon cadrage. Ces gestes techniques sont ceux de physiciens. Les scientifiques du département Matière molle de l’Institut de physique de Rennes (IPR(1)) ont fait de la caméra l’une de leurs meilleures alliées. Car ils étudient des phénomènes que l’œil humain ne peut pas distinguer, ou à peine. « Dans ce circuit, on peut apercevoir des canaux de 100 µm de largeur. Soit l’épaisseur d’un cheveu », détaille Laurent Courbin, chercheur au CNRS, en désignant une petite plaque transparente de deux centimètres sur trois, à travers laquelle on distingue légèrement quelques traits. « Nous y faisons circuler des gouttes de fluides, de l’eau ou de l’huile, par exemple. Et nous étudions leur répartition dans les différents canaux, en fonction de leur vitesse, de la distance entre elles... » Les boules de fluide avancent à 1 cm/s au maximum. Soit 0,36 km/h. Mais elles sont si petites que l’œil n’a pas le temps de les voir. « Nous les filmons avec une caméra ultrarapide, qui prend entre 1000 et 5000 images par seconde » (ndlr : contre 25 images seconde pour une caméra traditionnelle). Cela permet de visualiser le phénomène comme au ralenti.

Dès 1876, le Britannique Arthur Mason Worthington prenait des séries d’images pour visualiser le “splash” d’une goutte d’eau. « La modernité nous a apporté de la facilité et du confort en quelque sorte », explique Laurent Courbin. Au prix, quand même, de quelques efforts.

Le plaisir de filmer

« On se forme pour analyser les images. Il existe des logiciels en ligne que l’on peut maîtriser assez facilement. On apprend à coder. Pour mesurer la taille et la vitesse d’une goutte parfaitement sphérique sur une ligne droite, on peut le faire nous-mêmes. Et nous formons les étudiants à ces techniques. » Rapidement, les doctorants sont à l’aise avec les multiples objectifs présents dans chaque salle d’expérience. Ils apprennent à monter les caméras sur les microscopes - conçus pour -, à choisir la vitesse de prise de vue, à gérer la lumière. « C’est un plaisir de filmer, de voir les choses », reprend Laurent Courbin, convaincu de ne pas être arrivé là par hasard. Au départ, le physicien voulait être photographe. Quelquefois, l’esthétique supplante presque la physique. Lorsqu’Arnaud Saint-Jalmes et ses collègues, du même département, filment l’interface entre l’eau et des molécules tensioactives, comme du savon, ils peuvent observer en détail des écoulements spectaculaires aussi appelés effet Marangoni. Le spectateur néophyte, de son côté, peut rester subjugué devant la poésie des images obtenues.

Revoir encore et encore

Plip, plip, plip. D’un petit tuyau sortent régulièrement des gouttes. Et ce tuyau se trouve à l’extrémité dans un autre, plus grand, qui lui aussi produit des gouttes. Plop, plop, plop. Les grosses gouttes englobent les plus petites. « Ici, les gouttes se voient à l’œil nu, précise Laurent Courbin, ce qui nous intéresse c’est combien de petites gouttes se placent dans chaque grosse goutte. » Deux, deux, trois, deux, deux, deux, trois... Le comptage est fastidieux. « Les images filmées peuvent se revoir encore et encore. C’est plus simple pour être sûr de ne pas se tromper. » Quand l’image est plus complexe, les physiciens font appel à un ingénieur spécialisé dans ce domaine. « En ce moment, nous analysons ce qu’il se passe lorsque de l’eau savonneuse est placée dans un dédale de plots de quelques micromètres de haut. On laisse sécher, pendant douze heures ! Là, la caméra nous permet de filmer des phénomènes très lents. » Entre les plots se forment des films savonneux. Mais il y a des milliers de plots sur une plaque. Il faut des logiciels d’analyse très performants pour établir des statistiques fiables.

Filmer en conditions réelles à 250 °C

À quelques kilomètres de là, des agronomes utilisent des méthodes semblables. D’ailleurs, Cécile Le Floch-Fouéré, ingénieur agroalimentaire dans l’équipe Science et technologie du lait et de l’œuf, à l’Inra(2), a réalisé sa thèse chez les physiciens. Aujourd’hui, elle s’intéresse à la façon dont les gouttes de lait, en séchant, deviennent des grains de poudre. Dans les tours de séchage industrielles, malgré les paramètres très contrôlés, les poudres obtenues sont parfois plus ou moins solubles, pour une qualité nutritionnelle égale. « On veut comprendre pourquoi. » L’étude est réalisée en partenariat avec un fabricant de lait infantile. Sur un dispositif spécialement conçu, Cécile Le Floch-Fouéré forme des gouttes de 0,5 µl d’un liquide contenant différentes proportions de protéines sériques ou de micelles de caséines, les deux principales classes de protéines laitières. Et laisse la caméra tourner pendant dix minutes, le temps que la goutte sèche à température ambiante. Couplé à d’autres méthodes d’investigation, comme la pesée et la microscopie confocale, le film apporte des informations précieuses. « Ces images nous ont permis de visualiser clairement des différences de structure. Avec les protéines sériques, la goutte se résorbe de façon régulière, et donne des particules sphériques et lisses tandis que les micelles de caséines entraînent des déformations. Et ce, pour différentes conditions d’expérimentation. » Un obstacle demeure cependant : l’agronome ne peut pas encore filmer en conditions réelles, il faudrait une caméra rapide qui résiste aux très hautes températures des tours de séchage (250 °C), et surtout, qui soit capable de détecter et de suivre pendant sa chute une goutte parmi les milliards qui sont pulvérisées en même temps. Pour l’instant c’est impossible. Les caméras n’avancent pas aussi vite que la recherche.

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Céline Duguey

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