Bienvenue dans le monde étonnant des substrats souples. Ces matériaux sont faits de gels de silicone et ont la même texture que la panna cotta, mais sans la saveur délicieuse. Ils sont utilisés dans une gamme d'applications, notamment dans l'industrie pharmaceutique, car leurs propriétés biocompatibles et antiadhésives les rendent résistants à la corrosion et à la contamination bactérienne. Ces substrats sont si mous qu'ils peuvent être déformés (de manière réversible) par les forces capillaires qui se produisent sur les bords des gouttelettes lorsqu'elles sont placées sur leurs surfaces. Cependant, les gouttelettes se déplacent très lentement sur ces surfaces; pour couler, les gouttelettes doivent déformer dynamiquement les substrats et vaincre la résistance créée par les propriétés viscoélastiques du substrat. Une gouttelette millimétrique posée sur un substrat positionné verticalement s'écoulera à une vitesse comprise entre quelques centaines de nanomètres par seconde et quelques dizaines de micromètres par seconde. En d'autres termes, il faudrait trois heures à la gouttelette pour se déplacer d'un mètre seulement ! Cet effet de ralentissement est connu sous le nom de freinage viscoélastique et constitue un obstacle important à la généralisation de l'utilisation de substrats mous, surtout dans la fabrication.

Une équipe de scientifiques du laboratoire Ingénierie Mécanique des Interfaces Souples (EMSI) de l'EPFL, au sein de l'école d'ingénieurs, a montré que le freinage viscoélastique peut être surmonté en plaçant de minuscules piliers sur la surface du substrat. Plus fondamentalement, les scientifiques ont pu observer, pour la première fois, le contact entre un fluide et un substrat mou dans une géométrie complexe. Leurs conclusions viennent d'être publiées dans PNAS .

Une nouvelle géométrie

Les scientifiques de l'EPFL ont utilisé une méthode déjà largement utilisée dans les procédés de mouillage :modifier la texture de surface d'un substrat pour qu'il devienne superhydrophobe. Plus précisement, ils ont recouvert une surface de gel avec de minuscules piliers de 100 µm de haut et 100 µm de large, de sorte que les gouttelettes placées sur le gel ne reposent que sur le dessus des piliers, un peu comme un casse-cou marchant sur un lit de clous. Visualisation des gouttelettes au microscope confocal, les scientifiques ont vu que les piliers se déforment au fur et à mesure que les gouttelettes se déplacent le long d'eux. Quoi de plus, la taille de la déformation solide était presque la même que celle obtenue sur une surface plane de gel, ce qui signifie que les gouttelettes sont en fait retenues par les centaines de minuscules piliers. Et même si les tailles de déformation étaient si proches, les gouttelettes se déplaçaient à la même vitesse que sur une surface dure.

"Ces textures altérées "tuent" l'effet de freinage viscoélastique, même s'il y a une assez grande surface de contact entre le fluide et le solide, " dit Martin Coux, l'un des auteurs de l'étude, avec le professeur John Kolinski. « En raison de la géométrie unique des points de contact entre le fluide et le solide, légèrement au-dessus de la surface du substrat, les gouttelettes adoptent des configurations qu'elles ne pourraient généralement pas adopter sur une surface molle. Cela leur permet de s'écouler le long du substrat aussi vite qu'ils le feraient sur une surface dure. » À l'aide du microscope à grande vitesse de l'EMSI, les scientifiques ont pu observer et comprendre ce phénomène jusqu'alors inconnu de la physique fondamentale.

Il est à noter que tout cela se produit à l'échelle micrométrique (les déformations solides sont de l'ordre de 1 à 100 µm). « Grâce aux progrès réalisés dans la technologie de visualisation au cours des dix dernières années, les scientifiques peuvent désormais voir les déformations qui se produisent lorsque les fluides entrent en contact avec des substrats mous, et pas seulement statiquement (comme lorsque les gouttelettes sont stationnaires), mais aussi dynamiquement, comme lorsque les gouttelettes coulent à la surface, " dit Coux. Cette nouvelle capacité a donné un coup de pouce aux physiciens spécialisés en mécanique des fluides, accéléré leur compréhension des interactions élastocapillaires entre les substrats mous et les fluides, et mettre les scientifiques de l'EPFL sur la voie de leur découverte révolutionnaire.