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  • La nouvelle technique agit comme accélérateur, frein pour gouttelettes microscopiques

    Une gouttelette d'eau microscopique se dépose sur un film de silicone élastique. En étirant et en relaxant leurs films spécialement conçus, Les chimistes du Nebraska Stephen Morin et Ali Mazaltarim ont démontré un contrôle sans précédent sur le mouvement des gouttelettes liquides sur des surfaces planes. Ce contrôle pourrait rendre la technique utile dans les matériaux autonettoyants, récupération de l'eau et autres applications. Crédit :Stephen Morin / Ali Mazaltarim

    Une minuscule goutte d'eau est en mouvement, prendre de la vitesse alors qu'il glisse le long d'un tronçon de mince, terrain plat. Brusquement, il frappe une zone rugueuse - l'équivalent microscopique des ralentisseurs de verre dans lesquels la gouttelette se dépose et s'arrête net.

    La goutte semble garée, ancré en place. Mais contrairement à leurs homologues macro, ces mini dos d'âne s'aplatissent facilement. Stephen Morin le saurait; il a supervisé leur construction. Ainsi, le chimiste de l'Université du Nebraska-Lincoln procède à l'étirement du matériau élastique sur lequel ils reposent, aplanir le chemin, et repart la goutte, s'élançant sur la surface parfaitement horizontale.

    L'exploit stop-and-go n'est qu'un parmi plusieurs que le Groupe Morin a dévoilé via son dernier mariage de la chimie et des polymères élastiques. Les fruits de ce mariage ? Une maîtrise sans précédent du transport des gouttelettes microscopiques, potentiellement générant de nouvelles approches pour les matériaux autonettoyants, techniques de récupération de l'eau et autres, technologies plus sophistiquées.

    Le concept de mouillabilité est au cœur de l'approche de l'équipe :qu'une gouttelette se forme ou s'étale sur une surface, révélant cette surface comme hydrophobe ou hydrophile, respectivement. Inspiré par certaines recherches pionnières du début des années 1990, Morin et son laboratoire ont commencé à créer des gradients de mouillabilité :des surfaces recouvertes de minuscules « rampes » chimiques qui les rendent hydrophobes d'un côté mais hydrophiles de l'autre.

    "Il s'avère que si vous avez un modèle chimique comme celui-là, lorsque vous placez une goutte à l'extrémité hydrophobe, ce gradient de mouillabilité va conduire spontanément la goutte vers le côté hydrophile, " dit Morin, professeur agrégé de chimie au Nebraska.

    Bien qu'il s'agisse d'un phénomène intéressant en soi, Morin et le doctorant Ali Mazaltarim voulaient voir s'ils pouvaient adapter ce transport passif en un transport actif, processus dynamique qui se prêterait mieux aux applications. Ils se sont tournés vers les types de matériaux élastiques que l'équipe de Morin enduit de motifs chimiques depuis 2015, s'il faut fabriquer des surfaces qui reflètent la lumière uniquement lorsqu'elles sont étirées ou filtrer les particules en fonction de leur forme.

    Comme souvent dans le passé, l'équipe a commencé avec un doux, film de silicone souple. Les chercheurs ont étiré ce film avant de le traiter avec de l'ozone ultraviolet pour produire une couche microscopique de silice, le composant principal de la plupart des verres. Ils ont ensuite recouvert certaines sections de la silice de fourrés denses de molécules hydrofuges; d'autres sections ont été laissées en grande partie ou complètement nues, créant un gradient de mouillabilité qui pourrait conduire les gouttelettes de l'hydrophobe à l'hydrophile.

    Obtenir un certain contrôle en temps réel sur le mouvement de ces gouttelettes était alors une question simple et littérale de lâcher prise. L'assouplissement du film de silicone pré-étiré introduit des rides dans la silice, semblable à la façon dont un pansement placé sur le coude d'un bras plié se plisse lorsque le bras est redressé. L'équipe de Morin soupçonnait que ces rides pouvaient introduire suffisamment de rugosité pour ralentir la vitesse des gouttelettes, même sur les tronçons hydrophobes de la surface.

    Les expériences ont confirmé l'hypothèse :dans leur état complètement détendu, état ridé, les tronçons hydrophobes pourraient arrêter les gouttes tous ensemble; dans leur totalement tendu, état lisse, ils ont transporté les gouttelettes comme ils le feraient normalement.

    Les chercheurs ont depuis affiné ce contrôle en étirant et en relaxant les films pour démarrer et arrêter les gouttelettes seconde par seconde. Ils ont même montré leur capacité à défier la gravité, transporting droplets up inclines steeper than those reported in prior research.

    Rough riders

    Whether, and how fast, a droplet will move depends in part on the severity of a wettability gradient. When the transition from hydrophobic to hydrophilic occurs over a short distance, the droplets speed across the surface; when that transition stretches over a longer distance, the droplets lumber at a slower pace. The "steeper" the gradient, en d'autres termes, the greater the driving force and velocity of the droplets. Autres facteurs, including droplet size, are well-known contributors, trop.

    But the team was also finding that its acceleration and braking systems depended not just on the presence of the microscopic speed bumps, but also their height and spacing, both of which seemed to be influencing droplet velocity. From a mathematical and theoretical standpoint, the team realized, the roughness of the surface wasn't getting its due.

    To better understand and predict how roughness was affecting droplet transport, Morin and Mazaltarim incorporated the variable into a couple of equations that are traditionally used to quantify the phenomenon. After some tweaking and experimental verification, their resulting model predicted the specific roughness needed to slow or stop a droplet of any given size—along with the minimum size needed to overcome that roughness and other factors that resist a droplet's movement.

    Cette, à son tour, allowed the team to craft surfaces that would transport larger droplets while leaving smaller ones in place, or trigger the departure of the latter only when stretching the elastic film beyond a certain threshold. And that, the team said, could prove useful in sorting different liquids for analytical or other purposes.

    The ability of such a simple technique to yield such precise, predictable behavior makes it promising for a range of other applications, Morin said. The team has already illustrated its potential in self-cleaning materials by dirtying an elastic surface with metal dust, then stretching it to trigger a cascade of droplets that carried away all dust in their path. The harvesting of water for urban agriculture, livestock or potable water might benefit from a similar approach.

    "You could imagine fabrics where you collect droplets at one section, " Morin said, "and then you actuate the surface, which then drives them to some sort of a storage container."

    There's also the possibility of expanding on the functionality of materials that are designed to remove sweat from skin or droplets from other surfaces. The latter could potentially help cool energy-generating systems that produce sizable amounts of heat.

    "A lot of research in that area focuses on hydrophobic and superhydrophobic surfaces that have unique heat-exchange properties, " Morin said. "One could use the evaporative cooling effect of sweat as inspiration. But we imagine a more active system, where you're literally using a droplet to collect heat and then actively moving it somewhere else to remove that heat.

    "That's a good thing if you're actively trying to cool any sort of a device. This just presents a new way of achieving that type of outcome."

    Further down the line, Morin sees promise for calibrating the technique to transport droplets in two dimensions rather than just one. Managing that, il a dit, could make it a viable alternative in so-called lab-on-a-chip technologies that direct, mix and then analyze microscopic samples of liquids.

    "We have the ability to really dial in the properties of the gradients and how they couple to the micro-texture of the surface, " Morin said. "So I think there's a lot of leeway in terms of how you design the system to get a specific performance outcome."

    The team reported its findings in the journal Communication Nature .


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