Un cadre complet pour l'étude du comportement d'évaporation des marbres liquides aide les chercheurs du KAUST à mieux comprendre ces minuscules structures biologiques.

Les billes liquides ont été découvertes pour la première fois lors d'une étude du comportement des pucerons, de minuscules insectes qui vivent à l'intérieur des galles des plantes. Les pucerons boivent du nectar, puis excréter collant, substances sucrées dans leur espace de vie confiné. Pour éviter de se noyer dans leurs propres excrétions, les insectes enduisent le fluide collant de particules de cire, créant de minuscules billes liquides avec une couche extérieure hydrophobe à laquelle elles ne peuvent pas adhérer.

Les scientifiques ont rapidement réalisé l'intérêt d'un tel système pour transporter de minuscules quantités de liquide intact sur une surface sans la "mouiller". D'autres applications pour les marbres liquides comprennent les réacteurs biochimiques miniatures et la surveillance de la pollution.

"Même si la surface de l'eau d'un marbre liquide est recouverte de particules hydrophobes (hydrofuges), elles peuvent encore s'évaporer plus rapidement que les gouttelettes d'eau nues. Ce fait contre-intuitif a attisé notre curiosité, " dit Adair Gallo Jr, le doctorat étudiant qui a travaillé sur l'étude aux côtés de Himanshu Mishra et de ses collègues.

Actuellement, il y a une compréhension incomplète de la façon dont la taille des particules, le frottement entre les particules et les interactions liquide-particule influencent le comportement d'évaporation des billes. L'équipe a étudié des billes formées de particules de natures hydrophobes différentes, rugosité de surface et dimensions, variant du nano au micro.

En utilisant l'imagerie à haute vitesse, Gallo a découvert que les interactions liquide-particule et particule-particule influençaient de manière critique le comportement d'évaporation, et il les a regroupés en trois cas. Premièrement, les billes formées de particules avec une adhérence liquide-particule élevée et une friction interparticulaire modérée ont conservé leur surface totale intacte pendant qu'elles se dégonflaient, conduisant à une évaporation plus rapide et à des formes aplaties. La plupart des exemples de marbre entrent dans cette catégorie.

Pour le deuxième cas, Gallo a expérimenté des particules de silice microscopiques recouvertes de particules nanométriques qui présentaient une ultra-hydrofugation.

"Comme ces billes liquides s'évaporaient, ils éjectaient des particules de leur surface et restaient sphériques; on ne s'attendait pas à voir ça, " dit Gallo. "Cela se produit en raison des forces liquide-particule et interparticulaire très faibles. Avec curiosité, ce cas a montré les mêmes taux d'évaporation que les gouttelettes d'eau nues."

Le troisième cas concernait des nanoparticules collantes qui interagissaient étroitement les unes avec les autres mais pas avec le liquide à l'intérieur. Au fur et à mesure que le liquide s'évapore, les particules ont été poussées hors de la surface de l'eau pour former un revêtement multicouche. Les billes ont conservé une forme sphérique mais se sont évaporées à des vitesses beaucoup plus lentes en raison des couches de particules plus épaisses.

L'équipe a utilisé ces données pour construire un modèle mathématique qui prédit avec précision le comportement d'évaporation de toutes les billes liquides étudiées dans ce travail et dans de nombreux autres rapports publiés.

"Notre recherche motivée par la curiosité a conduit à un cadre d'analyse solide pour réfléchir à ces objets souples et spongieux, " dit Mishra.