Quelque chose d’aussi simple que le mouvement des gouttes d’eau sur les surfaces devrait en fait être compris, pourrait-on penser. En fait, il reste encore de nombreuses questions sans réponse sur les forces agissant sur une gouttelette en glissement. 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 découvrir : outre l’énergie de surface et le frottement visqueux au sein de la gouttelette, l’électrostatique joue également un rôle important. Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Physique naturelle.
Les gouttes de pluie frappent la vitre de la voiture et le vent pousse les gouttes sur le côté. Aujourd’hui encore, personne n’a été en mesure de 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, des 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 telle manière de manière à ce que les gouttes soient complètement soufflées par le courant d’air et que la vue reste dégagée même sous la pluie. D’autres exemples avec le signe opposé sont des applications où les gouttes doivent coller aux surfaces, telles que la peinture en aérosol ou les pesticides.
« Jusqu’à présent, on supposait que le revêtement de surface était responsable de la façon dont la gouttelette se déplace sur une surface, c’est-à-dire les premières couches moléculaires », explique le professeur Hans-Jürgen Butt, directeur de la « Physique des interfaces ». département de l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Par exemple, cela dépend de la surface si une forme de gouttelette sphérique ou plate est formée. Si la goutte aime la surface, elle s’y plaque pour faire le plus de contact possible. S’il n’aime pas la surface, comme dans le cas de l’effet lotus bien connu, il se recroqueville. Il était également clair que lorsqu’une gouttelette se déplace, un frottement visqueux, c’est-à-dire un frottement entre les molécules d’eau individuelles, 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 Polymer Research a découvert que ni les forces capillaires ni les forces viscoélastiques ne peuvent expliquer les différences de vitesse à laquelle les gouttelettes se déplacent sur différentes surfaces. Des questions ont notamment été soulevées par le fait que les gouttelettes défilent à des vitesses différentes sur des substrats différents, même si ces substrats ont un revêtement de surface identique, où aucune différence n’est attendue. Les chercheurs ont donc d’abord introduit une mystérieuse « force supplémentaire ». Pour le retrouver, Xiaomei Li, un Ph.D. étudiant dans le département de Hans-Jürgen Butt, a organisé une course de drop. « 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 concorde avec 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 Jun.-Prof. Stefan Weber, un chef de groupe dans le département de Butt.
Si des gouttelettes auparavant neutres glissent sur un isolant, elles peuvent se charger électriquement : l’électrostatique y joue donc un rôle important. Sur un substrat électriquement conducteur, en revanche, la gouttelette restitue immédiatement sa charge au substrat. « La force électrostatique, que personne n’avait jusqu’alors prise en compte, 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 les résultats dans la revue Physique naturelle. Ces résultats amélioreront le contrôle du mouvement des gouttelettes dans de nombreuses applications allant de l’impression à la microfluidique ou la gestion de l’eau à la production d’énergie via des mini-générateurs à base de gouttelettes.
Xiaomei Li et al, la charge spontanée affecte le mouvement des gouttes glissantes, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01563-6