Le mystère des gouttes d’eau enfin résolu par électrostatique

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 goutte d’eau glissante. 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 : Outre l’énergie de surface et le frottement visqueux à l’intérieur de la goutte, l’électrostatique joue également un rôle important.

Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Nature Physics.

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, tels que 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 dégagée même sous la pluie. D’autres exemples avec le signe opposé sont les applications où les gouttes doivent adhérer aux surfaces, comme la peinture en aérosol ou les pesticides.

« Jusqu’à présent, on supposait que le revêtement de surface était responsable de la manière dont la gouttelette se déplaçait sur une surface, c’est-à-dire les premières couches moléculaires« , explique le professeur Hans-Jürgen Butt, directeur du département « Physique des interfaces » à l’Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Par exemple, la forme des gouttelettes, sphériques ou plates, dépend de la surface. Si la goutte aime la surface, elle s’y appuie à plat pour établir le plus grand contact possible. Si elle n’aime pas la surface, comme dans le cas de l’effet lotus bien connu, elle se recroqueville. Il est également apparu que lorsqu’une goutte se déplace, il se produit un frottement visqueux – c’est-à-dire un frottement entre les molécules d’eau individuelles – à l’intérieur de la goutte, ce qui influe également sur son mouvement.

L’électrostatique est à l’origine 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 à laquelle les gouttelettes se déplacent sur différentes surfaces. 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 l’on ne s’attend pas à des différences – a soulevé des questions. Les chercheurs ont donc commencé par introduire une mystérieuse « force supplémentaire« .

Pour la découvrir, Xiaomei Li, doctorante dans le département de Hans-Jürgen Butt, a organisé une course de gouttes. « 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 pour calculer la force que nous n’avions pas encore étudiée« , 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 à ce modèle numérique, nous pouvons expliquer des trajectoires de gouttelettes jusqu’alors confuses« , explique le professeur Stefan Weber, chef de groupe dans le département de M. 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 conducteur d’électricité, la gouttelette restitue immédiatement sa charge au substrat. « La force électrostatique, que personne n’avait prise en compte auparavant, 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 par le biais de mini-générateurs à base de gouttelettes.

Illustration légende : Le mouvement des gouttelettes sur les surfaces est également influencé par les forces électrostatiques, comme l’ont découvert des chercheurs. Crédit : Rüdiger Berger / MPI-P

Xiaomei Li, Pravash Bista, Amy Stetten, Henning Bonart, Maximilian T. Schür, Steffen Hardt, Francisco Bodziony, Holger Marschall, Alexander Saal, Xu Deng, Rüdiger Berger, Stefan Weber, Hans-Jürgen Butt / La charge spontanée affecte le mouvement des gouttes glissantes / Nature Physics