Lorsque vous faites frire quelque chose dans une poêle et que des gouttelettes d'eau tombent dans la poêle, vous avez peut-être remarqué ces gouttelettes glissant sur le film d'huile chaude. Maintenant, ce phénomène apparemment insignifiant a été analysé et compris pour la première fois par des chercheurs du MIT et peut avoir des implications importantes pour les dispositifs microfluidiques, systèmes de transfert de chaleur, et d'autres fonctions utiles.

Une goutte d'eau bouillante sur une surface chaude va parfois léviter sur un mince film de vapeur, un phénomène bien étudié appelé effet Leidenfrost. Parce qu'il est suspendu à un coussin de vapeur, la gouttelette peut se déplacer sur la surface avec peu de friction. Si la surface est enduite d'huile chaude, qui a un frottement beaucoup plus important que le film de vapeur sous une goutte de Leidenfrost, il faut s'attendre à ce que la gouttelette chaude se déplace beaucoup plus lentement. Mais, contre-intuitivement, la série d'expériences au MIT a montré que l'effet inverse se produit :la gouttelette sur le pétrole s'éloigne beaucoup plus rapidement que sur le métal nu.

Cet effet, qui propulse les gouttelettes sur une surface huileuse chauffée 10 à 100 fois plus vite que sur du métal nu, pourrait potentiellement être utilisé pour des systèmes d'autonettoyage ou de dégivrage, ou pour propulser de minuscules quantités de liquide à travers les minuscules tubes des dispositifs microfluidiques utilisés pour la recherche et les tests biomédicaux et chimiques. Les résultats sont décrits aujourd'hui dans un article de la revue Lettres d'examen physique , écrit par l'étudiant diplômé Victor Julio Leon et le professeur de génie mécanique Kripa Varanasi.

Dans des recherches antérieures, Varanasi et son équipe ont montré qu'il serait possible d'exploiter ce phénomène pour certaines de ces applications potentielles, mais le nouveau travail, produisant de telles vitesses élevées (environ 50 fois plus rapide), pourrait ouvrir encore plus de nouveaux usages, dit Varanasi.

Après une analyse longue et minutieuse, Léon et Varanasi ont pu déterminer la raison de l'éjection rapide de ces gouttelettes de la surface chaude. Dans les bonnes conditions de haute température, viscosité de l'huile, et épaisseur d'huile, l'huile formera une sorte de mince cape recouvrant l'extérieur de chaque goutte d'eau. Au fur et à mesure que la goutte se réchauffe, de minuscules bulles de vapeur se forment le long de l'interface entre la gouttelette et l'huile. Parce que ces minuscules bulles s'accumulent au hasard le long de la base de la gouttelette, des asymétries se développent, et la friction réduite sous la bulle desserre l'attachement de la gouttelette à la surface et la propulse au loin.

Le film huileux agit presque comme le caoutchouc d'un ballon, et quand les minuscules bulles de vapeur éclatent, ils transmettent une force et "le ballon s'envole parce que l'air sort d'un côté, créer un transfert d'élan, " dit Varanasi. Sans la cape d'huile, les bulles de vapeur s'écouleraient simplement de la gouttelette dans toutes les directions, empêcher l'autopropulsion, mais l'effet de voile les retient comme la peau du ballon.

Le phénomène semble simple, mais il s'avère qu'il dépend d'une interaction complexe entre des événements se produisant à différentes échelles de temps.

Ce phénomène d'auto-éjection nouvellement analysé dépend d'un certain nombre de facteurs, y compris la taille des gouttelettes, l'épaisseur et la viscosité du film d'huile, la conductivité thermique de la surface, la tension superficielle des différents liquides du système, le type d'huile, et la texture de la surface.

Dans leurs expériences, la viscosité la plus faible des différentes huiles testées était environ 100 fois plus visqueuse que l'air ambiant. Donc, on aurait pu s'attendre à ce que les bulles se déplacent beaucoup plus lentement que sur le coussin d'air de l'effet Leidenfrost. "Cela donne une idée à quel point il est surprenant que cette gouttelette se déplace plus rapidement, " dit Léon.

Lorsque l'ébullition commence, des bulles se formeront au hasard à partir d'un site de nucléation qui n'est pas en son centre. La formation de bulles augmentera de ce côté, conduisant à la propulsion dans une direction. Jusque là, les chercheurs n'ont pas été en mesure de contrôler la direction de cette propulsion induite aléatoirement, mais ils travaillent maintenant sur des moyens possibles de contrôler la directionnalité à l'avenir. "Nous avons des idées sur la façon de déclencher la propulsion dans des directions contrôlées, " dit Léon.

Remarquablement, les tests ont montré que même si le film d'huile de la surface, qui était une plaquette de silicium, n'avait que 10 à 100 microns d'épaisseur - environ l'épaisseur d'un cheveu humain - son comportement ne correspondait pas aux équations d'un film mince. Au lieu, à cause de la vaporisation du film, il se comportait en fait comme une mare d'huile infiniment profonde. « Nous avons été un peu stupéfaits » par cette découverte, dit Léon. Alors qu'un film mince aurait dû le faire coller, la piscine pratiquement infinie a donné à la gouttelette un frottement beaucoup plus faible, lui permettant de se déplacer plus rapidement que prévu, dit Léon.

L'effet dépend du fait que la formation des minuscules bulles est un processus beaucoup plus rapide que le transfert de chaleur à travers le film d'huile, environ mille fois plus rapide, laissant suffisamment de temps pour que les asymétries au sein de la gouttelette s'accumulent. Lorsque les bulles de vapeur se forment initialement à l'interface huile-eau, ils sont beaucoup plus isolants que le liquide de la gouttelette, entraînant des perturbations thermiques importantes dans le film d'huile. Ces perturbations font vibrer la gouttelette, réduire la friction et augmenter le taux de vaporisation.

Il a fallu une photographie à grande vitesse pour révéler les détails de cet effet rapide, Léon dit, en utilisant un 100, 000 images par seconde caméra vidéo. « Vous pouvez réellement voir les fluctuations à la surface, " dit Léon.

Initialement, Varanasi dit, « nous étions perplexes à plusieurs niveaux quant à ce qui se passait, parce que l'effet était si inattendu. … C'est une réponse assez complexe à ce qui peut sembler simple, mais cela crée vraiment cette propulsion rapide."

En pratique, l'effet signifie que dans certaines situations, un simple chauffage d'une surface, par la bonne quantité et avec le bon type de revêtement huileux, pourrait provoquer l'élimination des gouttes de tartre corrosives d'une surface. Plus loin sur la ligne, une fois que les chercheurs auront plus de contrôle sur la directionnalité, le système pourrait potentiellement remplacer certaines pompes de haute technologie dans les dispositifs microfluidiques pour propulser les gouttelettes à travers les bons tubes au bon moment. Cela peut être particulièrement utile dans les situations de microgravité, où les pompes ordinaires ne fonctionnent pas comme d'habitude.

Il peut également être possible d'attacher une charge utile aux gouttelettes, créer une sorte de système de livraison robotique à micro-échelle, dit Varanasi. Et tandis que leurs tests se sont concentrés sur les gouttelettes d'eau, potentiellement, il pourrait s'appliquer à de nombreux types de liquides et de solides de sublimation, il dit.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.