Approche expérimentale et goutte sessile. (A) Esquisse du montage expérimental pour l'impact de gouttes binaires sur des surfaces superamphiphobes. L'aiguille est fixée pour régler la hauteur d'impact dans la direction Z et la distance relative entre les gouttes sessiles et impactantes. La goutte sessile est d'abord centrée le long du plan YZ. Puis, la goutte impactante est distribuée par l'aiguille tandis que l'impact est surveillé avec la caméra 2. La caméra 1 est utilisée pour déterminer les positions relatives des gouttes dans la direction X. Les caméras et les sources lumineuses sont alignées pour observer l'impact à la fois dans les plans XZ et YZ. Encarts :(i) Image SEM d'une surface recouverte d'un gabarit de suie à deux grossissements. (ii) Goutte d'hexadécane (V 3 l) reposant sur la surface superamphiphobe. Le contour orange est la solution de l'équation. 1 pour un nombre de Bond correspondant Bo =0,3. (iii) Image confocale montrant une goutte d'hexadécane sur la surface superamphiphobe. L'image illustre l'angle de contact apparent de la goutte avec la surface (Θapp 164°). L'image est prise en mode réflexion, c'est à dire., aucun colorant n'a été ajouté à l'hexadécane. La réflexion de la lumière résulte des différences entre les indices de réfraction de l'hexadécane (1,43), aérien (1.0), et verre et silice (~1,46). La couche superamphiphobe se compose principalement d'air, Et ainsi, son indice de réfraction est proche de 1. Par conséquent, la couche horizontale verre-superamphiphobe et les interfaces hexadécane-couche superamphiphobe sont visibles. La couche superamphiphobe elle-même est visible comme un motif diffus, résultant de la réflexion de la lumière des nanoparticules de silice. (B) Image montrant une collision excentrée. Le paramètre d'impact est χ =d/(2R). Crédit photo :Olinka Ramírez-Soto, Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4330
Les gouttelettes en collision sont omniprésentes dans les technologies de tous les jours telles que les moteurs à combustion et les sprays, et dans les processus naturels tels que les gouttes de pluie et la formation de nuages. Les résultats de la collision dépendent de la vitesse d'impact, degré d'alignement, propriétés intrinsèques de tension superficielle et une surface peu mouillante. Dans un nouveau rapport sur Avancées scientifiques , Olinka Ramírez-Soto et une équipe de scientifiques dans la recherche sur les polymères, dynamique des fluides, génie chimique et des matériaux en Allemagne, Les Pays-Bas et les États-Unis ont étudié la dynamique d'une goutte d'huile impactant une goutte sessile identique sur une surface superamphiphobe. Une surface superamphiphobe est analogue à la superhydrophobie (hydrophobie), bien qu'il puisse repousser les liquides polaires et non polaires. A l'aide de simulations numériques, l'équipe a recréé des scénarios de rebond pour quantifier les profils de vitesse, transfert d'énergie et dissipation visqueuse dans le dispositif expérimental. Ce travail a montré l'influence de la vitesse d'impact sur la dynamique de rebond pour les collisions goutte à goutte d'huile sur des surfaces superamphiphobes.
Enquêter sur l'impact du drop-on-drop
Lorsqu'une goutte de liquide impacte une goutte sessile d'un liquide identique, l'attente intuitive est que les deux gouttes fusionnent ou se combinent. Ce processus est courant avec la pluie et les gouttes d'un robinet qui fuit, mais parfois, une fine couche d'air entre deux gouttes peut permettre aux gouttes d'eau de rebondir parfaitement sur des surfaces hydrophiles (qui aiment l'eau). Dans les années 1800, Le scientifique et ingénieur Osborn Reynolds a d'abord enregistré et attribué le mouvement de glissement des gouttelettes d'eau à travers une piscine à ce phénomène. Une couche de vapeur est également responsable de l'effet Leidenfrost, où une goutte plane au-dessus d'une surface surchauffée.
Malgré la caractérisation expérimentale de la dynamique d'impact, les méthodes pour modéliser quantitativement les champs de vitesse et le transfert d'énergie font défaut. Les études sur l'impact goutte-à-goutte sur les surfaces superamphiphobes sont actuellement entravées par un nombre limité de techniques pour concevoir des surfaces non mouillantes. Il est donc important de comprendre quels scénarios déterminent l'impact goutte à goutte du pétrole sur une surface superamphiphobe et comment l'énergie est transférée entre les gouttes. Dans cette étude, Ramirez-Soto et al. ont étudié expérimentalement et numériquement la dynamique d'une goutte d'huile à faible tension superficielle impactant un liquide sessile de composition similaire reposant sur une surface superamphiphobe. L'équipe a montré comment la gouttelette d'huile impactante pouvait soulever la gouttelette au repos de la surface sans fusionner.
Instantanés de la dynamique d'impact. Notez que les étiquettes de goutte 1 et 2 sont pour la goutte impactante et sessile, respectivement. Six issues (cas I à VI) sont observées en faisant varier le paramètre d'impact et le nombre de Weber (We). Les lignes correspondent à différents paramètres d'impact pour I à IV. Les colonnes montrent les étapes caractéristiques du processus de collision. UNE, juste à la collision; B, chute sessile à compression maximale ; C, forme de goutte juste avant la séparation ou la coalescence ; RÉ, résultat final de l'impact. La hauteur du centre de masse de l'impact, sessile, ou des gouttes coalescées est maximale. Le volume des deux gouttes est de 3 ul. Cas I :We =1,30 et =0,01, les horodatages pour chaque trame sont tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, et tD =25 ms. Cas II :We =1,53, =0,08 ; tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, et tD =24 ms. Cas III :Nous =1,44, =0,24 ; tA =0 ms, tB =8 ms, tC =20 ms, et tD =24 ms. Cas IV :Nous =1,48, =0,52 ; tA =0 ms, tB =5,5 ms, tC =7 ms, et tD =21 ms. Cas V :Nous =5,84, =0,08 ; tA =0 ms, tB =3,75 ms, tC =8,5 ms, et tD =25,5 ms. Cas VI :Nous =1,43, =0,03 ; tA =0 ms, tB =7,5 ms, tC =9 ms, et tD =17 ms. Crédit photo :Olinka Ramírez-Soto, Institut Max Planck pour la recherche sur les polymères. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4330 
Les scientifiques ont mené quatre expériences de rebond sans coalescence. Dans le premier scénario, les deux gouttes rebondissent; dans deux autres scénarios, la goutte impactante rebondit alors que la goutte sessile reste, et dans le scénario final, la goutte sessile rebondit tandis que la goutte impactante reste liée à la surface. Lors des expérimentations, Ramirez-Soto et al. a délicatement positionné une goutte d'huile sessile sur une surface superamphiphobe et l'a impactée avec une seconde goutte identique. Ils ont créé la surface superamphiphobe à l'aide d'une couche de 20 µm d'épaisseur de suie de bougie modelée, qui contenait un réseau poreux de nanobilles de carbone. Pour augmenter la stabilité du réseau fragile, ils ont déposé une couche de silice sur les nanostructures poreuses. Ils ont abaissé l'énergie de surface de la surface recouverte de suie grâce à la fluoration pour produire une surface superamphiphobe qui repoussait l'eau et la plupart des huiles. Les scientifiques ont utilisé l'hexadécane comme huile modèle au cours des expériences en raison d'une myriade de propriétés favorables, notamment le comportement newtonien, et ont enregistré l'angle d'une goutte d'hexadécane en utilisant la microscopie confocale. L'étude a comparé quantitativement les données expérimentales et numériques de la dynamique de rebond. Ramirez-Soto et al. calculé et confirmé la valeur de la forme de la goutte à l'aide de l'équation de Young-Laplace.
Vidéo expérimentale du Cas I pour les gouttes d'hexadécane :rebond de la goutte impactante. (numéro Weber -
Résultats expérimentaux et simulations numériques.
L'équipe a observé six résultats pour la dynamique d'impact. Lors de l'impact, les deux gouttes se déforment et s'étalent radialement pour montrer une compression axiale, tandis que l'énergie cinétique du système transférée aux énergies de surface des deux. Quand les gouttes ont commencé à se retirer, la goutte précédemment sessile a transféré de l'énergie à la goutte d'impact sous forme d'énergie cinétique. Après la collision, la goutte d'impact a rebondi, tandis que la goutte sessile restait sur le substrat. Les scientifiques ont maintenu un nombre de Weber constant ( Nous ~ 1,5) pour les six cas observés ; où le paramètre caractérisait généralement la qualité d'atomisation d'un spray ou la taille des gouttelettes résultantes des émulsions. Ils ont ensuite tracé l'alignement frontal (noté X) et augmenté le nombre de Weber pour la coalescence des gouttes dans le dispositif expérimental. Ils ont attribué le résultat à l'instabilité de la couche d'air entre les gouttes à la suite d'un contact direct dans les conditions expérimentales.
Budget énergétique. La variation temporelle du transfert d'énergie élucide les différentes étapes du processus d'impact goutte à goutte à We ~1. Initialement, toute l'énergie est stockée sous forme d'énergie mécanique de la goutte impactante et d'énergie de surface de la goutte sessile. Puis, l'énergie mécanique du système diminue et est transférée dans l'énergie de surface des gouttes. Ce transfert est suivi d'une étape de récupération où l'énergie de surface est retransférée dans l'énergie mécanique du système. Une partie de l'énergie est perdue sous forme de dissipation visqueuse. Cette dissipation visqueuse considère l'énergie combinée dissipée à la fois dans les gouttes de liquide et dans l'air environnant. Ce calcul inclut les couches d'air entre les gouttes et entre les gouttes et le substrat superamphiphobe. Lors de l'impact, les gouttes (A) cas I :χ =0, (B) cas II :=0,08, (C) cas III :=0,25, et (D) cas IV :=0,625. Em est l'énergie mécanique totale du système (Em =Ek + Ep), Es est l'énergie de surface des deux gouttes, et Ed est la dissipation visqueuse dans le système. Notez que l'énergie mécanique totale (Em) comprend l'énergie du centre de masse des gouttes ainsi que les énergies d'oscillation et de rotation obtenues dans le référentiel qui se traduit avec le centre de masse des gouttes individuelles. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4330
Ramirez-Soto et al. ont ensuite effectué des simulations numériques directes (DNS) pour illustrer l'effet des champs de vitesse et le transfert d'énergie entre les gouttes et comparé les résultats avec les données expérimentales. L'équipe a utilisé la méthode du volume géométrique de fluide (VOF) et a préservé une couche d'air finie entre les gouttes tout au long du processus pour imiter les conditions expérimentales afin d'obtenir des gouttelettes non coalescentes à l'aide de simulations. L'équipe a effectué les quatre premières simulations et quantifié les champs de vecteurs de vitesse pour chaque cas; les résultats permettront d'explorer quantitativement la dynamique du processus de collision goutte à goutte d'huile.
Budget énergétique
Dans tous les cas, la goutte d'impact contenait de l'énergie sous forme d'énergie mécanique (sous forme d'énergie cinétique et potentielle) et d'énergie de surface de la goutte sessile. L'énergie mécanique du système a ensuite diminué et transférée à l'énergie de surface des gouttelettes combinées. Une étape de récupération a suivi le transfert, dans laquelle l'énergie de surface est retransférée dans l'énergie mécanique du système, tandis qu'une partie de l'énergie s'est dissipée sous forme de dissipation visqueuse. Ce processus représentait l'énergie combinée dissipée dans les gouttes de liquide et dans l'air environnant. The calculations also accounted the layer of air between drop-on-drop contact as well as between drop-on-superamphiphobic substrate. The numerical simulations provided a quantitative description of impact dynamics, where a strong agreement existed between the drop boundaries and experimental mechanical energies.
Experimental video of Case V (five) for hexadecane drops:coalescence of drops and lift-off of coalesced drop. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aba4330
De cette façon, Olinka Ramírez-Soto and colleagues combined systematic experiments and numerical simulations to predict and control the outcome of binary oil drop impacts on low-adhesion surfaces. The experimental and numeric one-on-one comparisons revealed the drop boundaries and center of mass mechanical energies, while illustrating the power of direct numerical simulations. The study highlighted how the alignment of droplet impact alone could be used to determine the recovered energy distribution between two drops after impact.
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