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Percer les secrets du mouvement des gouttelettes

Des chercheurs ont découvert la force manquante qui explique comment les gouttes d’eau se déplacent sur les surfaces. Il s’avère qu’il s’agit de la force électrostatique.

Recherche fondamentale

Comment les gouttes d’eau se déplacent-elles sur les surfaces? Cela peut sembler simple, mais en réalité, les scientifiques ne saisissent pas encore parfaitement les forces qui agissent sur elles. Les récents efforts déployés pour générer de l’électricité à partir de gouttes en mouvement ont renforcé la nécessité de combler ce manque de connaissances. Une recherche soutenue en partie par le projet DynaMo financé par l'UE a révélé que, contrairement à ce que l’on pensait, le mouvement d’une goutte n’est pas seulement affecté par l’énergie de surface et la friction visqueuse (friction entre les molécules d’eau individuelles au sein de la goutte). Il semble que l’électrostatique joue également un rôle déterminant. L’étude a été publiée dans la revue «Nature Physics». «Jusqu’à présent, nous supposions que le revêtement de surface était responsable de la façon dont la gouttelette se déplaçait sur celle-ci, c’est-à-dire les quelques premières couches moléculaires», explique l’auteur principal de l’étude, le professeur Hans-Jürgen Butt, de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, en Allemagne, dans un article publié sur «Phys.org». Nous savons que ce phénomène, associé à la friction visqueuse qui se produit à l’intérieur de la goutte d’eau lorsqu’elle se déplace, influence son mouvement.

La preuve d’une force manquante

Toutefois, une expérience simple menée par les chercheurs a révélé que le mouvement des gouttes ne peut être prédit avec précision sur la base de ces seules forces. Ils ont d’abord observé des vitesses moyennes différentes sur des surfaces présentant une chimie de surface identique, mais des conductivités et des épaisseurs de substrat différentes. Ils ont constaté que les gouttes d’eau se déplaçaient plus rapidement sur des surfaces en or recouvertes d’une monocouche de perfluorodécanethiol ou de films en téflon que sur des surfaces en dioxyde de silicium (SiO2) recouvertes de perfluorooctadécyltrichlorosilane (PFOTS). Ils ont également observé que les vitesses de glissement d’une série de gouttes sur une surface particulière deviennent dépendantes du nombre de gouttes, et donc de l’historique de la surface. Par exemple, la 50e goutte glisse plus rapidement sur une plaque de SiO2 recouverte de PFOTS que la première goutte. Alors, quelle pourrait être cette force manquante? «J’ai filmé les gouttes sur différents substrats, j’ai extrait les profils de vitesse et d’accélération de leur mouvement, j’ai calculé les forces déjà connues afin de mesurer la force que nous n’avions pas encore examinée», déclare la première auteure de l’étude, Xiaomei Li, qui est doctorante à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Sur la base de leurs observations, l’équipe a conclu que la force manquante devait être l’électrostatique. La force calculée correspond à une force électrostatique qu’ils avaient décrite dans un modèle antérieur. «En comparant les résultats expérimentaux avec ce modèle numérique, nous pouvons expliquer des trajectoires de gouttelettes qui nous semblaient auparavant déconcertantes», fait remarquer le professeur Stefan Weber, également du même institut. Lorsque des gouttelettes auparavant neutres glissent sur un isolant, elles peuvent se charger électriquement, mais sur un substrat électriquement conducteur, la goutte d’eau relâche immédiatement sa charge vers le substrat. «La force électrostatique, que personne n’avait encore considérée, a donc une influence primordiale: elle doit être prise en compte pour l’eau, les électrolytes aqueux et l’éthylène glycol sur toutes les surfaces hydrophobes testées», conclut le Stefan Weber. Les résultats de l’étude soutenue par DynaMo (Dynamic charging at moving contact lines) pourraient contribuer à améliorer le contrôle du mouvement des gouttes dans un large éventail d’applications, telles que l’impression, la microfluidique, la gestion de l’eau et les nanogénérateurs triboélectriques. Pour plus d’informations, veuillez consulter: projet DynaMo

Mots‑clés

DynaMo, eau, goutte, surface, force, mouvement, électrostatique, substrat