Gouttes d'eau électrifiées
L'électrostatique influence le mouvement des gouttes sur les surfaces
Quelque chose d'aussi simple que le mouvement des gouttes d'eau sur les surfaces devrait en fait être compris - on pourrait le croire. En fait, de nombreuses questions restent sans réponse concernant les forces qui agissent sur une gouttelette qui glisse. Une équipe de chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères, en collaboration avec des collègues de l'Université technique de Darmstadt, vient de le découvrir : En plus de l'énergie de surface et de la friction visqueuse à l'intérieur de la gouttelette, l'électrostatique joue également un rôle important. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Physics.
Le mouvement des gouttelettes sur les surfaces est également influencé par les forces électrostatiques, comme viennent de le découvrir des chercheurs.
© Rüdiger Berger
Des gouttes de pluie frappent la vitre de la voiture et le vent pousse les gouttes sur le côté. Aujourd'hui encore, personne n'a pu prédire avec précision comment les gouttes se déplacent sur le pare-brise. Pourtant, une telle compréhension est importante dans de nombreux domaines, comme la conduite autonome : Par exemple, les caméras installées dans le pare-brise sont censées garder un œil sur la route et la situation du trafic - pour cela, la surface du pare-brise doit être conçue de manière à ce que les gouttes soient complètement soufflées par le courant d'air et que la vue reste claire même sous la pluie. D'autres exemples présentant le signe contraire sont les applications où les gouttes doivent adhérer à des surfaces, comme les peintures en spray ou les pesticides.
"Jusqu'à présent, on supposait que le revêtement de surface était responsable de la façon dont la goutte se déplace sur une surface, c'est-à-dire les quelques premières couches moléculaires", explique le professeur Hans-Jürgen Butt, directeur du département "Physique des interfaces" de l'Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Par exemple, il dépend de la surface si une forme de goutte sphérique ou plate est formée. Si la goutte aime la surface, elle s'y appuie à plat pour avoir le plus de contact possible. Si elle n'aime pas la surface, comme dans le cas de l'effet lotus bien connu, elle s'enroule. Il est également apparu clairement que lorsqu'une gouttelette se déplace, une friction visqueuse - c'est-à-dire une friction entre les différentes molécules d'eau - se produit à l'intérieur de la gouttelette, ce qui influence également son mouvement.
L'électrostatique provoque des différences de vitesse
L'équipe de chercheurs du MPI pour la recherche sur les polymères a constaté que ni les forces capillaires ni les forces viscoélastiques ne peuvent expliquer les différences de vitesse auxquelles les gouttelettes se déplacent sur différentes surfaces. Des questions ont notamment été soulevées par le fait que les gouttelettes se déplacent à des vitesses différentes sur des substrats différents - même si ces substrats ont un revêtement de surface identique, où aucune différence ne serait attendue. Les chercheurs ont donc d'abord introduit une mystérieuse "force supplémentaire". Pour la repérer, Xiaomei Li, doctorant dans le département de Hans-Jürgen Butt, a organisé une course de gouttes. "J'ai filmé les gouttes sur différents substrats, extrait les profils de vitesse et d'accélération de leur mouvement, calculé les forces déjà connues pour calculer la force que nous n'avions pas encore examinée", explique-t-elle.
Résultat étonnant : la force calculée correspond à une force électrostatique que les chercheurs ont décrite pour la première fois dans un modèle il y a quelques années. "En comparant les résultats expérimentaux avec ce modèle numérique, nous pouvons expliquer des trajectoires de gouttelettes auparavant déroutantes", explique le professeur adjoint Stefan Weber, chef de groupe au département de Butt.
Si des gouttelettes auparavant neutres glissent sur un isolant, elles peuvent se charger électriquement : L'électrostatique joue donc un rôle important. En revanche, sur un substrat électriquement conducteur, la gouttelette libère immédiatement sa charge vers le substrat. "La force électrostatique, que personne n'avait encore considérée, a donc une influence majeure : elle doit être prise en compte pour l'eau, les électrolytes aqueux et l'éthylène glycol sur toutes les surfaces hydrophobes testées", résume Weber. L'équipe de recherche vient de publier ses résultats dans la revue Nature Physics. Ces résultats permettront d'améliorer le contrôle du mouvement des gouttelettes dans de nombreuses applications allant de l'impression à la microfluidique ou de la gestion de l'eau à la production d'énergie via des mini-générateurs à base de gouttelettes.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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