Hydrodynamique aux interfaces

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  • Publié le : 19 août 2011
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Hydrodynamique aux interfaces
Christophe Clanet - David Quéré

Superhydrophobie
Pourquoi une goutte d'eau ressemble-t-elle à une perle quand on la pose sur une feuille de lotus (photo ci-contre), alors qu'elle s'étalerait sur du verre ? L'effet est d'abord chimique : le verre, contrairement à la cire qui recouvre la feuille de lotus, a une forte affinité pour l'eau. Ainsi, une goutte d'eaus'étale plus facilement sur du verre propre que sur du verre recouvert d'huile ou de cire. A cela s'ajoute un effet physique : la surface de la feuille de lotus est couverte de bosses de taille micrométrique. La goutte ci-contre n'est donc pas posée à plat sur la feuille, elle repose seulement sur le haut de ces bosses comme un fakir sur son tapis de clous. Nous avons reproduit cet effet sur dessurfaces constituées de forêts de micropiliers réalisées grâce à des techniques de microfabrication.

Cette situation où la goutte repose sur le sommet des rugosités n'est pas toujours la plus stable : une goutte peut préférer plutôt remplir la micro-texture. Nous avons étudié la transition d'un état "fakir" à un état "planté" de différentes manières : par des expériences de presse,d'évaporation ou d'impact. On observe que la transition dépend des caractéristiques géométriques de la texture et qu'elle disparaît sur des surfaces fortement rugueuses. Nous avons également réalisé des surfaces à gradient de densité de plots et avons discuté la possibilité d'observer des mouvements spontanés de gouttes. Enfin, nous avons étudié l'imprégnation de liquides mouillants dans ces surfaces àgéométries bien contrôlées et en avons tiré des lois d'imprégnation.

Des gouttes d'eau posées sur ces surfaces sont des objets très mobiles dont la dynamique n'est pas bien comprise. Pour mieux comprendre les forces de dissipation entrant en jeu dans ces systèmes, nous nous intéressons au dévalement de gouttes sur un plan incliné superhydrophobe. Au bout d'une certaine distance, la goutteatteint une vitesse constante, ce qui signifie que son poids compense exactement les forces de friction, nous donnant ainsi accès à une mesure de ces dernières. Les comportements observés sont variés: les gouttes peuvent se mettre à rouler comme des billes solides, glisser sur la surface hydrophobe ou encore adopter des formes inattendues comme celle que l'on voit sur l'image ci-contre (gouttebaleine).
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Caléfaction
Lorsqu'une goutte d'eau entre en contact avec une plaque chaude, le liquide entre en ébullition et se transforme très vite en vapeur. Mais lorsque la plaque est à une température nettement supérieure à la température d'ébullition, la vapeur se forme assez vite pour intercaler un film sous la goutte, qui entre en lévitation (photo ci-contre). Ce film vaalors jouer deux rôles : 1) il isole la goutte du substrat ; le liquide ne bout plus et met plusieurs minutes à s'évaporer ; 2) comme sur la feuille de lotus, le liquide prend une forme très arrondie et n'adhère pas à la surface, ce qui lui confère une mobilité extrême. Ce phénomène est appelé la caléfaction (on parle aussi parfois d'effet Leidenfrost).

Des gouttes de ce type peuventégalement être fabriquées sur un support à température ambiante avec de l'azote liquide (à -196°C). Ce système permet de changer le matériau qui supporte les gouttes : on peut ainsi observer, comme sur l'image ci-dessous, une goutte d'azote liquide en caléfaction sur un bain d'eau. Depuis fin 2009, nous étudions le cas de gouttes d'oxygène liquide en caléfaction. Comme pour l'azote, ce liquide esttrès froid (-183°C) et par conséquent il est en caléfaction sur un substrat à température ambiante. Or l'oxygène est un liquide paramagnétique : il subit une force lorsqu'il est soumis à un gradient de champ magnétique. En utilisant des aimants, on peut par conséquent piéger des gouttes en caléfaction, d'habitude très mobiles et difficiles à manipuler, et les guider à volonté.
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