Une mousse de rêve

"O'zapft is" - les Munichois viennent d'ouvrir l'Oktoberfest sur la Wiesn. Et la bière coule désormais à flots. Mais le jus d'orge ne provoque pas seulement un délire collectif, il enchante aussi les scientifiques des matériaux en raison de sa mousse magnifique.

Une bonne mousse de bière est un signe de la qualité et de la fra?cheur d'une bière. Une mousse typique a une épaisseur de 1,5 centimètre et se compose de 1,5 million de bulles. Idéalement, elle reste stable, mais la plupart du temps, les bulles fusionnent rapidement entre elles ou éclatent et la mousse s'effondre. Ce comportement est typique de tous les types de mousses, qu'il s'agisse de produits alimentaires ou de matériaux industriels modernes.

L'un de ces processus, qui rend la mousse instable, est particulièrement difficile à arrêter. Les spécialistes appellent maturation d'Ostwald ce processus décrit il y a plus de 100 ans déjà par le chimiste allemand et prix Nobel 1909, Wilhelm Ostwald. Au cours de ce processus, les grosses bulles deviennent encore plus grosses et les petites rétrécissent et disparaissent.

Stopper la décomposition de la mousse

Le m?rissement d'Ostwald modifie de manière indésirable la texture de la mousse de bière et d'autres produits alimentaires et de consommation moussés, et affaiblit la qualité du produit. Stabiliser les mousses (et les émulsions) est donc un défi pour les applications les plus diverses, des produits d'entretien aux matériaux fonctionnels modernes.

Les stabilisateurs de surface, comme certaines protéines dans la bière, peuvent toutefois ralentir la maturation de la mousse en réduisant la tension superficielle. Les stabilisateurs ne peuvent toutefois pas empêcher la maturation d'Ostwald. Une fois que celle-ci a commencé, il n'est plus possible de l'arrêter.

Jan Vermant, professeur de matériaux mous à l'ETH Zurich, et son groupe ont élaboré une nouvelle base scientifique pour ce problème de mousse. Ils ont récemment publié un article à ce sujet dans la revue spécialisée PNAS. Pour la première fois, les scientifiques ont réussi à quantifier la stabilisation des bulles de mousse et à formuler des principes universels. "Ces principes aideront l'industrie alimentaire et l'industrie des matériaux à développer des stabilisateurs ciblés qui préviennent ou même stoppent la maturation d'Ostwald", explique Vermant.

Un réseau de particules stabilise une bulle

Dans leur étude, les chercheurs en matériaux de l'ETH montrent comment certaines particules agissent comme stabilisateurs de mousse et protègent les petites bulles contre le rétrécissement. Pour les besoins du test, les scientifiques ont utilisé des particules de polymère de la taille d'un micromètre ainsi que des particules de la forme d'un grain de riz. Les deux types de particules forment une structure réticulée irrégulière à la surface des bulles.

Dans un dispositif microfluidique spécial, les chercheurs ont testé si ce réseau soutenait suffisamment les bulles. Ils ont pu enduire de manière ciblée des bulles individuelles d'une quantité contr?lée de ces stabilisateurs et les soumettre ensuite à des rapports de pression croissants par étapes dans une mini-chambre de pression. Les scientifiques ont ainsi simulé la maturation d'Ostwald.

"Cela nous a permis de déterminer avec précision à quelle pression une bulle commence à rétrécir et finit par s'effondrer", explique Peter Beltramo, post-doctorant chez Vermant. Gr?ce à leur dispositif expérimental spécial, les chercheurs n'ont pas seulement pu étudier des bulles individuelles. Ils ont également pu faire varier le nombre de particules entourant une bulle, puis établir un lien entre le nombre de particules et les propriétés mécaniques de la bulle.

Il s'est avéré que les bulles partiellement recouvertes peuvent être aussi stables que celles qui sont entièrement recouvertes de particules. Cela permet de prédire avec précision la quantité de stabilisateur nécessaire. "Gr?ce à nos découvertes, il est possible d'économiser beaucoup de matériel et donc de réduire les co?ts", souligne Beltramo. Les chercheurs ont en outre constaté qu'une bulle revêtue résiste à une pression bien plus élevée qu'une bulle non revêtue.

Valable universellement

Les connaissances acquises sont universellement valables, au-delà des mousses, pour tous les matériaux présentant de grandes surfaces ou pour les applications dans lesquelles les surfaces jouent un r?le important, explique Vermant. Le principe s'applique aussi, entre autres, aux poumons ou aux yeux, qui sont protégés par un film lacrymal. "Ces films minces sont très stables - développés par la nature", explique Vermant.

Les résultats pourraient également être utiles à l'industrie. Les scientifiques pourraient désormais rechercher des stabilisateurs permettant de mieux conserver les aliments mousseux tels que les crèmes glacées, la p?te à pain ou encore la mousse de bière. "Nous fournissons à l'industrie alimentaire des directives de développement et des outils de quantification qu'elle peut utiliser pour développer de nouveaux produits", explique le professeur de l'ETH. Et ce qui est juste pour la mousse de bière ou la crème glacée est bon marché pour le béton. De petites bulles stables dans le béton le rendent plus résistant aux cycles de congélation et de décongélation. De plus, cela le rend plus léger.

Les mousses alimentaires sont à l'origine de ce travail de recherche. L'étude a été cofinancée par le fabricant de glaces Nestlé. "Réfléchir à la crème glacée et à la mousse de bière stable peut donc conduire à de nouveaux matériaux plus performants - santé !", se réjouit Vermant.