Des chercheurs du MIT ont découvert une nouvelle tournure surprenante de la mécanique impliquée lorsque les gouttelettes entrent en contact avec des surfaces. Sur la photo, une vue de dessus microscopique d'une gouttelette. Crédit :Groupe Varanasi/MIT
Lorsque des gouttelettes de gel frappent une surface, ils s'y collent généralement ou rebondissent. Le contrôle de cette réponse est crucial pour de nombreuses applications, y compris l'impression 3D, la pulvérisation de certains revêtements de surface, et la prévention de la formation de glace sur les structures telles que les ailes d'avion, éoliennes, ou des lignes électriques.
Maintenant, Des chercheurs du MIT ont découvert une nouvelle tournure surprenante de la mécanique impliquée lorsque les gouttelettes entrent en contact avec des surfaces. Alors que la plupart des recherches se sont concentrées sur les propriétés hydrophobes de ces surfaces, il s'avère que leurs propriétés thermiques sont également d'une importance cruciale et offrent une opportunité inattendue de "régler" ces surfaces pour répondre aux besoins exacts d'une application donnée. Les nouveaux résultats sont présentés aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , dans un rapport du professeur agrégé de génie mécanique du MIT, Kripa Varanasi, ancien post-doctorant Jolet de Ruiter, et post-doctorant Dan Soto.
"Nous avons trouvé quelque chose de très intéressant, " explique Varanasi. Son équipe étudiait les propriétés d'un liquide - dans ce cas, gouttes de métal en fusion—gel sur une surface. "Nous avions deux substrats qui avaient des propriétés de mouillage similaires [la tendance à s'étaler ou à perler sur une surface] mais des propriétés thermiques différentes." Selon la pensée conventionnelle, la façon dont les gouttelettes ont agi sur les deux surfaces aurait dû être similaire, mais au lieu de cela, il s'est avéré être radicalement différent.
Sur le silicium, qui conduit très bien la chaleur, comme le font la plupart des métaux, "le métal en fusion vient de tomber, " dit Varanasi. Mais sur le verre, qui est un bon isolant thermique, "les gouttes de métal collaient et étaient difficiles à enlever."
Ce clip révèle le comportement différent des gouttelettes sur des matériaux ayant des propriétés thermiques différentes. Des gouttelettes identiques d'étain fondu heurtent une surface de silice fondue (à gauche) et une de séléniure de zinc (à droite). Pendant que la goutte à gauche colle à la surface, celui de droite affiche des franges autour du bord qui montrent comment la gouttelette aplatie commence à se courber vers le haut et à se décoller. CréditVaranasi Group/MIT
La découverte a montré que "nous pouvons contrôler l'adhérence d'une gouttelette gelant sur une surface en contrôlant les propriétés thermiques" de cette surface, il dit. "C'est une toute nouvelle approche" pour déterminer comment les liquides interagissent avec les surfaces, il ajoute. « Il nous fournit de nouveaux outils pour contrôler le résultat de telles interactions liquide-solide. »
Pour expliquer la différence de conductivité thermique de différents matériaux, Varanasi donne l'exemple de deux surfaces de sol, une en pierre, un autre en bois. Même si les deux sont exactement à la même température, si tu marches pieds nus sur le bois, il sera plus chaud que la pierre. C'est parce que la pierre a une effusivité thermique plus élevée (le taux auquel un matériau peut échanger de la chaleur) que le bois, il évacue donc plus rapidement la chaleur de vos pieds, le faisant se sentir plus froid.
Les expériences de l'étude ont été réalisées avec du métal en fusion, ce qui est important dans certains processus industriels tels que les revêtements par pulvérisation thermique appliqués aux aubes de turbine et à d'autres pièces de machine. Pour ces processus, la qualité et l'uniformité des revêtements peuvent dépendre de la façon dont chaque minuscule gouttelette adhère à la surface pendant le dépôt. Les résultats s'appliquent probablement à toutes sortes de liquides, y compris l'eau, dit Varanasi.
Lors du revêtement de surfaces, "la façon dont les gouttelettes frappent et forment des éclaboussures dicte l'intégrité du revêtement lui-même. S'il n'est pas parfait, cela peut avoir un impact énorme sur les performances de la pièce, comme une aube de turbine, ", dit Varanasi. "Nos résultats fourniront une toute nouvelle compréhension de quand les choses collent et quand elles ne le font pas."
Une goutte d'étain fondu tombe sur une surface de silicium, la gauche, qui conduit bien la chaleur, et sur verre, droit, qui est un isolant thermique. Dans des conditions identiques, la goutte solidifiée sur le silicium tombe d'emblée lorsque la surface est inclinée, tandis que la gouttelette sur le verre adhère étroitement à la surface. Crédit :Groupe Varanasi/MIT
Les nouvelles informations pourraient être utiles à la fois lorsqu'il est souhaitable que les gouttelettes adhèrent aux surfaces, comme dans certains types d'imprimantes 3D, pour s'assurer que chaque couche imprimée adhère parfaitement à la couche précédente, et lorsqu'il est important d'empêcher les gouttelettes de coller, comme sur les ailes d'avion par temps glacial. La recherche pourrait également être utile pour le nettoyage et la gestion des déchets des procédés de fabrication additive et de projection thermique.
Soto dit que la découverte a eu lieu lorsque l'équipe étudiait le mécanisme de congélation local à l'interface entre le liquide et le substrat, à l'aide d'une caméra thermique à grande vitesse qui a révélé des effets rapides pendant le processus de refroidissement qui auraient été impossibles à voir à des échelles de temps plus longues. Les images montraient un développement progressif de franges autour des bords extérieurs des gouttelettes. « Nous avons alors réalisé que la gouttelette se recroquevillait de manière inattendue et se détachait de la surface en gelant, " dit-il. Ils ont décrit ce phénomène comme " l'auto-pelage " des gouttelettes.
« Les principaux ingrédients de ce phénomène, " dit de Ruiter, "sont l'interaction entre la dynamique des fluides à courte échelle de temps, qui fixe l'adhérence, et des effets thermiques à plus long terme, qui conduisent à une déformation globale. » L'équipe a développé une carte de conception qui capture différents résultats possibles (collage, auto-épluchage, ou rebond) en termes de propriétés thermiques clés :gouttes et effusivités du substrat, et températures.
Étant donné que le degré d'adhérence ou non des gouttelettes dépend des propriétés thermiques d'un matériau, il est possible d'adapter ces propriétés en fonction de l'application, dit Soto. "Nous pouvons imaginer des scénarios où les propriétés thermiques peuvent être ajustées en temps réel grâce à des champs électriques ou magnétiques, permettant de régler l'adhésivité de la surface aux gouttelettes d'impact."
Le résultat de collage peut également être contrôlé simplement en changeant les températures relatives des gouttelettes et de la surface, l'équipe a trouvé. Dans de nombreux cas, ces changements sont contre-intuitifs :par exemple, alors que l'on pourrait s'attendre à ce que le seul moyen d'empêcher le collage des gouttelettes gelées soit de réchauffer un substrat, l'équipe a trouvé un nouveau régime, où le refroidissement de la surface peut également conduire au même résultat.
