Le temps passe de l'image de gauche à l'image de droite, où la colonne d'images à l'extrême droite représente des gouttes présentant un étalement maximal. (a) hauteur de libération de la goutte z=10 mm, (b) z=100 mm, (c) z=700 mm. Crédit :Professeur adjoint Yukihiro Yonemoto
Des chercheurs japonais ont réussi à dériver une formule théorique qui prédit quantitativement le comportement de mouillage et d'étalement des gouttelettes qui entrent en collision avec la surface plane d'un matériau solide. Bien que le comportement des gouttelettes entrant en collision avec une surface solide semble simple en apparence, c'est en fait assez compliqué en raison de facteurs interdépendants tels que la rugosité de la surface, mouvement fluide, et la mouillabilité (facilité d'adhérence du liquide) de la surface solide par le liquide. Autrefois, des chercheurs du monde entier ont tenté de faire des prédictions quantitatives sur l'étendue des zones mouillées par l'expérimentation, théorie et analyse numérique, mais prédiction, en particulier lors de collisions lentes, n'ont pas encore été réalisés.
Les collisions de gouttelettes sur des surfaces solides sont essentielles à de nombreuses applications industrielles, comme les imprimantes à jet d'encre, injecteurs de carburant et refroidissement par pulvérisation. La zone maximale de mouillage et d'étalement des gouttelettes après collision est l'un des paramètres les plus importants influençant la qualité et l'efficacité d'un tel équipement.
La surface maximale de mouillage et d'étalement d'une gouttelette varie également en fonction de la nature de la gouttelette, la vitesse à laquelle la goutte tombe, et la nature du solide sur lequel il heurte. Par exemple, lorsqu'une goutte entre en collision avec du verre ou du téflon, la zone maximale de mouillage et d'épandage sera différente. La facilité avec laquelle un liquide adhère à une surface dépend de la mouillabilité de la surface. La mouillabilité des gouttelettes adhérant à une surface solide est caractérisée par l'équation d'équilibre dynamique tangentielle (l'équation de Young) au niveau de la ligne de contact.
Dans des études théoriques antérieures sur la zone maximale de mouillage et de propagation des gouttelettes de collision, seule l'équation d'équilibre de la ligne de contact dans la direction tangentielle a été considérée. Il n'y avait pas d'expressions relationnelles pour prédire la zone de mouillage et d'étalement maximale d'une gouttelette dans une large gamme de conditions de vitesse d'impact. Typiquement, deux méthodes sont utilisées pour effectuer les calculs, un lorsque les vitesses de collision sont élevées et un autre lorsque les vitesses sont faibles. Cependant, la méthode conventionnelle utilisée pour les collisions à grande vitesse génère des erreurs importantes à faible vitesse, et la méthode conventionnelle utilisée pour les collisions à basse vitesse renvoie des erreurs importantes à des vitesses élevées.
Le nouveau modèle théorique d'un chercheur de l'Université de Kumamoto considère la composante normale de la tension superficielle du liquide en plus de la composante tangentielle. Crédit :Professeur adjoint Yukihiro Yonemoto
Pour réduire les erreurs de calcul, une collaboration entre l'Université de Kumamoto et des chercheurs de l'Université de Kyoto axée sur la tension superficielle normale sur la ligne de contact, et le bilan énergétique des gouttelettes entrant en collision avec des surfaces solides. Ce faisant, ils ont considéré les inconvénients d'utiliser des méthodes conventionnelles pour évaluer la dissipation visqueuse de l'énergie causée par le mouvement du fluide à l'intérieur d'une gouttelette au moment de la collision, et dérivé une nouvelle formule théorique.
Cette formule prédit quantitativement la zone de mouillage et d'étalement maximale lorsque les gouttelettes entrent en collision avec différents types de solides, tels que le caoutchouc de silicone ou les substrats super-hydrophobes. Par ailleurs, les chercheurs ont confirmé qu'il peut être appliqué non seulement à des gouttelettes de taille millimétrique, mais également à des gouttelettes micrométriques.
Graphique montrant l'efficacité d'un nouveau modèle théorique pour prédire l'aire de propagation d'une goutte d'eau sur une surface solide en comparaison avec les modèles conventionnels précédents. Crédit :Professeur adjoint Yukihiro Yonemoto
"Récemment, la technologie de fabrication de circuits à l'échelle nanométrique pour les substrats semi-conducteurs utilisant la technologie à jet d'encre a attiré beaucoup d'attention, " a déclaré le professeur adjoint Yukihiro Yonemoto de l'Université de Kumamoto, qui dirige l'étude. "Observations de phénomènes à l'échelle nanométrique, cependant, nécessitent un équipement expérimental coûteux, et la prédiction par analyse numérique nécessite une technologie spécialisée. En utilisant une méthode simple pour prédire la zone d'étalement de mouillage maximale d'une goutte après collision, nous pouvons nous attendre à réaliser des conceptions de circuits plus efficaces, entre autres choses." Les gouttelettes qui frappent la surface d'un matériau solide plat ne s'étireront pas seulement et se répandront, mais se scindera également en gouttelettes plus fines (phénomène d'éclaboussure) si l'énergie au moment d'une collision est importante. Des chercheurs de l'Université de Kumamoto et de l'Université de Kyoto travaillent actuellement sur une théorie qui considère ces phénomènes pour étendre davantage les résultats de leurs recherches.
Cette découverte a été publiée en ligne dans le journal en libre accès Rapports scientifiques le 24 mai 2017.
