Alors que l'intérêt et la demande pour les nanotechnologies continuent d'augmenter, il en sera de même du besoin d'impression et de pulvérisation à l'échelle nanométrique, qui consiste à déposer de minuscules gouttes de liquide sur une surface. Des chercheurs de l'Université Tsinghua de Pékin ont développé une nouvelle théorie qui décrit comment une telle gouttelette de taille nanométrique se déforme et se brise lorsqu'elle frappe une surface.

Le modèle, discutés dans leur publication parue cette semaine dans Physique des fluides , pourrait aider les chercheurs à améliorer la qualité de l'impression et du revêtement à l'échelle nanométrique, important pour tout, de l'impression et du revêtement de minuscules dispositifs et structures aux machines d'impression 3D et aux robots.

Lorsqu'il s'agit de pulvériser des revêtements, par exemple, plus les gouttelettes sont petites et rapides lorsqu'elles touchent la surface, meilleure est la qualité du revêtement, dit Min Chen, professeur au département d'ingénierie mécanique de l'université Tsinghua. Cependant, à certaines vitesses d'impact, les gouttelettes vont se briser et éclabousser, ruiner le revêtement.

Donc pour améliorer les techniques d'impression et de pulvérisation, nous devons mieux comprendre les conditions qui provoquent la déformation des gouttelettes lorsqu'elles frappent une surface, ainsi que la façon dont ils se cassent. Mais parce qu'expérimenter avec des gouttelettes nanométriques est très difficile, les chercheurs s'appuient souvent sur des simulations informatiques.

Bu-Xuan Li et Xin-Hao Li, avec Chen, utilisé une technique appelée simulation de la dynamique moléculaire, dans lequel ils ont simulé chaque molécule qui compose une goutte d'eau. Chaque goutte, composé d'environ 12, 000 molécules, mesure environ 8,6 nanomètres de diamètre et frappe la surface à des vitesses de quelques centaines de mètres par seconde. L'ordinateur simule ce qui se passe lorsque la collection de molécules d'eau frappe une surface plane.

"Nous avons développé un modèle analytique pour décrire le processus de déformation et un autre pour décrire le processus de rupture, " a déclaré Chen. Le modèle de déformation s'améliore par rapport au travail précédent de l'équipe, "mais le modèle de rupture est totalement nouveau."

Le modèle de rupture combine la théorie avec les résultats des simulations, fournir une formule que les chercheurs peuvent utiliser pour calculer quand une gouttelette se brisera. Selon Chen, le modèle est prêt à être utilisé dans les applications.

Une limitation est que le modèle est vérifié uniquement pour fonctionner pour des gouttelettes à l'échelle nanométrique, et pas pour les grosses gouttelettes. "La raison en est que la façon dont une gouttelette se décompose est différente à l'échelle macro et nanométrique, " dit Bu-Xuan Li.

Le modèle ne s'applique également qu'aux fluides dits newtoniens comme l'eau. Les chercheurs travaillent maintenant au développement d'un modèle pour les fluides non newtoniens, comme le pétrole brut ou le mélange gluant de fécule de maïs et d'eau parfois connu sous le nom d'Oobleck. Par exemple, un modèle non newtonien serait nécessaire pour l'impression 3D de polymères et de biomatériaux, tels que les tissus et organes humains.

Le modèle est également applicable pour décrire comment les gouttelettes d'eau entrent en collision avec les avions et forment de la glace, ce qui constitue un danger pour la sécurité. Ces gouttelettes d'eau, suspendu dans les nuages, vont généralement de 20 à 50 micromètres, soit plus que ceux des simulations. Toujours, Chen a dit, leur modèle est utile car on ne sait pas grand-chose sur la façon dont ces gouttelettes d'eau frappent les avions.