Effervescence & Champagne

Présentation

Au cours des dernières décennies, il s’est développé une science considérable des bulles et des mousses. Cependant, avant la fin des années 1990, peu de scientifiques ont choisi de se pencher sur les bulles et la mousse du champagne et des vins effervescents. Pourtant, dans le petit volume de champagne ou de vin circonscrit par une flûte, on retrouve toutes les étapes de la vie d’une bulle. Elle naît sur une particule immergée, elle se développe dans la flûte en rejoignant la surface, où inexorablement elle vieillit, puis finit par disparaître. Chacune de ces étapes mérite qu’on s’y intéresse tant les mécanismes physicochimiques à l’œuvre dans une flûte sont subtils.
L’activité première de l’équipe s’articule autour des processus physicochimiques liés aux phénomènes d’effervescence et de mousse en œnologie. La vie d’une bulle dans un liquide sursaturé en gaz carbonique est classiquement décomposée en trois phases : sa naissance (ou nucléation), son ascension dans la matrice liquide, et sa disparition à l’interface air/liquide (par éclatement, coalescence, résorption ou disproportionnement).
Au cours des dernières années, nous avons systématiquement mené des recherches afin d’apporter des éléments scientifiques et objectifs qui contribuent à une meilleure connaissance de chacune de ces trois phases. Récemment, la bonne connaissance acquise sur ces trois phases nous a permis de développer des modèles mathématiques qui rendent compte de la cinétique de dégazage telle qu’on peut l’observer une fois le vin versé dans un verre.

Les perspectives de ce travail sur la dynamique de l’effervescence et les mécanismes de désorption du gaz carbonique sont multiples. Sur le plan de la recherche strictement œnologique, les axes de travail sont très divers. On citera par exemple : (i) la visualisation et la quantification du rôle des bulles dans le brassage et l’effet exhausteur d’arômes, (ii) l’étude de l’influence de la forme du verre sur l’impact organoleptique du produit, (iii) la quantification de la cinétique de désorption du gaz carbonique hors des cuves lors des processus fermentaires… En outre, le caractère très répandu des processus de nucléation et de croissance de bulles dans des liquides sursaturés laisse également entrevoir des projets de recherche à venir qui sortent du cadre strictement œnologique. On citera par exemple : (i) la contribution à l’étude des phénomènes d’embolie et de montée de sève chez les plantes, (ii) la modélisation des processus de nucléations de bulles dans les roches poreuses pétrolifères qui permettent la récupération d’huiles lourdes lors des mécanismes de pompage du pétrole&helli

Un beau parallèle peut être établi entre le « pétillement » de l’océan et celui du champagne dans la flûte. La source majeure de bouillonnement à la surface de l’océan est le résultat de l’action des vagues combinée à celle de la pluie, les deux phénomènes piégeant l’air dans l’eau de mer sous forme de bulles. Lorsque les bulles éclatent à la surface de la mer, elles diffusent un brouillard de gouttelettes, exactement comme le font les bulles de champagne. Dès le début des années 1970, des océanographes ont établi que ces gouttelettes constituaient un concentrât des particules présentes dans l’eau de mer dont elles étaient issues. Plus récemment, lors d’une campagne dans les océans Atlantique et Antarctique menée par le brise glace allemand Polarstern, le transport vers l´atmosphère (sous forme d’embruns) de centaines de composés organiques dissous dans l´océan a pu être décrit. Les bulles qui éclatent « écrèment » en quelque sorte la surface de l’océan, tout comme les bulles de champagne écrèment les molécules tensioactives et aromatiques de la surface du vin. Si les bulles de champagne ont pour effet de décupler notre plaisir en projetant au-dessus du verre un brouillard de gouttelettes chargées d’arômes, les gouttelettes produites par le pétillement des océans constituent la plus grande source d’embruns et de composés organiques dissous impliqués dans la chimie complexe de l´atmosphère et donc dans l´équilibre climatique global.

Dynamique de fragmentation de nanogouttes d’hélium dopées par des agrégats de gaz rare chargés

Aux très basses températures de formation des nanogouttes d’hélium (T ≈ 0.4 K), l’hélium 4 est superfluide, c’est-à-dire qu’il se comporte comme un fluide de viscosité et d’entropie nulle. Ces nanogouttes se comportent donc comme des nanolaboratoires à basse température qui permettent notamment la formation d’espèces moléculaires qui seraient instables, et par conséquent impossibles à produire, en phase gazeuse. Notre projet (resp. D. Bonhommeau) s’intéresse à l’étude de la dynamique de fragmentation de systèmes, et en particulier d’agrégats chargés, formés au sein de telles nanogouttes. Du fait de leur taille (plusieurs milliers voire dizaines de milliers d’atomes d’hélium) et du caractère quantique des atomes d’hélium 4, une modélisation quantique exacte de ces systèmes est impossible et notre équipe a développé en collaboration avec des chercheurs des universités de Toulouse et de Marne-la-Vallée une méthode hybride classique-quantique permettant l’étude d’agrégats de gaz rares chargés dans des nanogouttes d’un millier d’atomes sur des temps de plusieurs centaines de picosecondes. Cette méthode repose sur un code de saut de surface, pour modéliser la dynamique du dopant (ie, l’agrégat chargé), couplé à une dynamique classique des noyaux d’hélium évoluant sur un potentiel effectif qui prend en compte des effets d’énergie de point zéro de l’agrégat d’hélium à travers une modification du potentiel de paire He-He. Les résultats obtenus sur les agrégats de néon [1,2], et récemment sur les agrégats d’argon permettent déjà de mieux comprendre les mécanismes de fragmentation au sein des nanogouttes et devraient aider à l’interprétation des résultats issus des expériences de spectrométrie de masse. Ces premiers travaux s’inscrivent dans le cadre plus général du développement futur de programmes visant à modéliser la dynamique de systèmes moléculaires voire macromoléculaires au sein de nanogouttes d’hélium.

Collaborations (hors URCA) : laboratoire LCAR (Toulouse), laboratoire MSME (Marne-La-Vallée).

Références principales du projet

[1] Modeling the fragmentation dynamics of ionic clusters inside helium nanodroplets: The case of He100Ne4+, D. Bonhommeau, P. T. Lake, Jr, C. Le Quiniou, M. Lewerenz et N. Halberstadt, J. Chem. Phys. 126, 051104 (2007).

[2] Fragmentation of ionized doped helium nanodroplets: Theoretical evidence for a dopant ejection mechanism, D. Bonhommeau, M. Lewerenz et N. Halberstadt, J. Chem. Phys. 128, 054302 (2008).

Pour suivre les actualités de l'équipe :

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Emissions de radio

- Invité dans le cadre de la chronique « Info sciences » sur France Info, présentée par Marie-Odile Monchicourt ( 23 décembre 2011 ).
https://www.francetvinfo.fr/replay-radio/info-sciences/dans-la-coupe-ca-ne-petille-pas-comme-dans-la-flute_1727415.html

- Invité dans le cadre de « La Face B de l'Info » sur France Info, chronique en direct, présentée par Bernard Thomasson ( 7 décembre 2011) https://bernardthomasson.com/apprecier-les-bulles-de-champagne/

- Invité en direct sur la matinale d' Europe 1, dans le cadre de la chronique « Le talk d' Europe 1 », animée par Bruce Toussaint (12 décembre 2011 ). http://www.europe1.fr/MediaCenter/Emissions/Bruce-Toussaint/Videos/Voyage-au-caeur-d-une-bulle-de-champagne-858991/

- Invité dans le cadre de l'émission en direct « La tête au carré » sur France Inter, animée par Daniel Fiévet ( 26 décembre 2011 ).
http://www.franceinter.fr/emission-la-tete-au-carre-de-daniel-fievet-vie-et-mort-d-une-bulle-de-champagne

- Invité dans le cadre de la chronique « La Marche des Sciences » sur France Culture, présentée par Aurélie Luneau ( 29 décembre 2011 ).
http://www.franceculture.fr/emission-la-marche-des-sciences-quand-les-sciences-fetent-le-champagne-2011-12-29

Article dans la presse