Comment les gouttelettes convergent vers une nature glissante

Jun 03, 2023

Une surface qui repousse complètement les fluides, tels que l’eau, le sang ou l’huile, est une quête de longue date en ingénierie et en science des matériaux. Un tel matériau se prête à un large éventail d'applications, de la récupération de l'eau à la transformation des aliments en passant par les technologies biomédicales. Même si les chercheurs ont progressé dans le développement de matériaux dotés de ces capacités, le comportement exact des fluides sur de telles surfaces reste flou. Dans un article récent paru dans Nature Communications, des chercheurs décrivent pour la première fois comment des gouttelettes d'eau fusionnent à la surface d'une surface imprégnée d'huile.

Il y a plus de dix ans, des groupes de recherche aux États-Unis et en France ont proposé indépendamment une nouvelle approche pour concevoir une surface repoussant les fluides, inspirée d'un mécanisme trouvé dans la nature. Leur idée était d’ajouter des structures microscopiques à la surface d’un substrat et de recouvrir le tout d’huile. La texture poreuse maintient l'huile en place grâce aux forces capillaires, et des gouttelettes d'eau ou d'autres fluides pourraient glisser de la surface sans défaut sans coller. «Ceux-ci auraient de nombreuses propriétés très prometteuses», explique Haobo Xu, aujourd'hui étudiant diplômé en science des matériaux à l'Université Cornell et premier auteur de l'étude. Mais en même temps, dit-il, la physique du comportement des gouttelettes sur ces surfaces glissantes n’a pas été étudiée de manière approfondie. L'article récent, rédigé par des chercheurs de l'Université du Michigan à Ann Arbor et de l'Université d'État de l'Ohio à Columbus, explique exactement comment les gouttes convergent. Ils ont découvert que lorsque les gouttelettes se forment à proximité les unes des autres, mais ne se touchent pas vraiment, elles forment une crête mouillante constituée d'huile entre les deux. Cette crête facilite l’attraction entre les gouttelettes, les rapprochant pour fusionner.

"Notre travail montre comment deux gouttelettes fusionnent", explique Yimin Zhou, étudiant diplômé au Energy Transport Laboratory (ETL) du Michigan, dirigé par l'ingénieur en mécanique Solomon Adera. Notamment, dit-elle, le groupe a découvert que les gouttes se combinent plus rapidement sur la surface technique recouverte d’huile que sur d’autres matériaux hydrophobes. "La surface lubrifiée peut augmenter le taux de condensation", ajoute Zhou.

Cette propriété, dit-elle, fait de ce matériau un candidat attrayant pour les applications impliquant de la condensation ou la collecte d'eau. Dans une centrale électrique à vapeur, par exemple, l’eau bouillante produit de la vapeur, qui fait tourner une turbine qui produit de l’électricité. La vapeur est collectée, condensée et remise en liquide. Si le nouveau matériau était utilisé dans le condenseur, dit-elle, l'usine pourrait collecter plus rapidement l'eau usée, ce qui rendrait peut-être le système plus efficace. Le matériau pourrait également être utilisé dans des appareils qui récupèrent l’eau de l’air, « en particulier dans les zones sèches sans beaucoup d’eau potable », explique Zhou. Les matériaux infusés d'huile seraient également utiles dans la transformation et le stockage des aliments, car ils empêchent les matériaux, y compris les germes, de coller aux parois d'un récipient.

Les premières surfaces imprégnées d'huile sont apparues dans un article de 2005 du physicien français David Quéré. En 2011, un groupe basé au Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de l'Université Harvard a développé un matériau inspiré de la façon dont les sarracénies carnivores capturent leurs proies. La plante sécrète une substance glissante qui recouvre le piège, et l'insecte malchanceux se glisse dans les sucs digestifs au pied du pichet. Ils ont nommé leur conception SLIPS, pour surfaces poreuses glissantes infusées de liquide. L’autre groupe a décrit leur conception, qui utilisait également de minuscules cavités à la surface pour piéger le pétrole. Dans les deux cas, les gouttelettes glissent sans effort sans s’accrocher.

Patricia Weisensee, ingénieure en mécanique à l'Université de Washington à Saint-Louis, dirige un groupe de recherche sur les fluides thermiques qui étudie ces matériaux. Son groupe et d’autres ont montré comment des gouttelettes peuvent traverser une surface infusée de pétrole. « Lors de la condensation, même les gouttelettes microscopiques s'attirent et créent un mouvement très fort à la surface », explique-t-elle.

Les chercheurs du Michigan voulaient en savoir plus sur le processus. Ils ont donc créé leur matériau en fabriquant d'abord un ensemble de minuscules piliers de silicium, chacun mesurant moins de 10 micromètres de diamètre et moins de 30 micromètres de haut, sur un substrat. Ils ont enduit la surface d’une fine couche d’huile de silicone. Ensuite, ils ont placé deux gouttelettes d’environ un millimètre de diamètre chacune, espacées d’environ 2,8 millimètres, et ont commencé le tournage. Les chercheurs ont observé que l’huile formait une crête mouillante autour de chaque gouttelette au point de contact et qu’entre les deux gouttelettes, la crête mouillante s’élevait plus haut.