Impacts des gouttelettes d'eau et des gouttelettes d'émulsion huile dans eau sur les surfaces superhydrophobes. (A) Schéma du montage expérimental. (B) Instantanés de vidéos à grande vitesse d'émulsion et de gouttelettes d'eau impactant sur une surface. L'émulsion est une émulsion hexadécane-dans-eau à une concentration de 20%. À We =50, les deux gouttelettes rebondissent. A We =87, l'eau rebondit tandis que l'émulsion colle. À We =95, les deux gouttelettes éclaboussent et rebondissent. (C) Schéma de la dynamique de l'impact de l'eau et de l'émulsion montrant les trois phases :imprégnation, formation de la crête d'huile et départ. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abl7160
Les émulsions de pesticides à base d'huile sont largement utilisées dans l'agriculture, bien qu'elles constituent un danger majeur pour l'environnement et la santé car elles rebondissent sur les surfaces des plantes en raison de leur nature hydrophobe, entraînant une pollution de l'eau et du sol. Dans un nouveau rapport, Maher Damak et une équipe de scientifiques en génie mécanique du MIT ont décrit une transition inattendue du rebondissement au collage au rebondissement, avec une vitesse d'impact accélérée de la gouttelette. L'équipe a mis en évidence la physique sous-jacente du phénomène et a démontré le processus en régulant un équilibre minutieux de trois échelles de temps :le temps de contact des gouttelettes, le temps d'imprégnation du pétrole et la formation de la crête de pétrole. Ils ont ensuite construit une carte de conception pour réguler avec précision le rebond des gouttelettes et la couverture d'huile. La recherche est maintenant publiée dans Science Advances .
Utilisation de la science des matériaux pour des pratiques agricoles optimisées pour l'environnement
Les pulvérisations d'émulsion sont cruciales dans les industries et les pulvérisations agricoles comprennent généralement des émulsions huile dans eau contenant des concentrés émulsifiables avec un ingrédient pesticide actif dans la phase huileuse mélangée à de l'eau. Dans ce cas, les gouttelettes d'huile sont généralement à l'échelle du micron, donc les émulsions peuvent être atomisées et pulvérisées sur les plantes. Cependant, le manque de rétention des pulvérisations agricoles sur les plantes hydrophobes est une limitation majeure pouvant entraîner une pollution à grande échelle. Les scientifiques des matériaux ont étudié de manière approfondie les impacts des gouttelettes de liquides purs sur les surfaces superhydrophobes. Les chercheurs ont utilisé des tensioactifs pour réduire la tension superficielle et ainsi réduire le rebond des gouttelettes, mais ils sont moins efficaces. Dans ce travail, l'équipe de recherche a étudié l'impact des gouttelettes d'émulsion sur les surfaces superhydrophobes.
L'auteur principal et boursier postdoctoral Maher Damak, qui est affilié au groupe MIT Varanasi du professeur Kripa Varanasi, et est également le PDG et co-fondateur d'Infinite Cooling, a décrit la motivation derrière leur étude, en disant :« La recherche a été motivée par le fait qu'il y a beaucoup de déchets de pesticides dus aux gouttelettes qui rebondissent sur les surfaces des plantes lorsqu'elles sont pulvérisées. ... la méthode que nous avons développée dans cette étude utilise des émulsions d'huile pour atténuer le problème, en permettant aux gouttelettes de coller sur les surfaces hydrophobes des plantes.
L'équipe a montré comment les émulsions métastables contenant une huile de support de pesticide et de l'eau seules peuvent être efficaces lorsqu'elles sont utilisées avec les bons paramètres d'émulsion et de pulvérisation. L'introduction de sprays sans tensioactifs dans l'agriculture peut empêcher la propagation de produits chimiques toxiques à grande échelle dans l'environnement et réduire les coûts de l'agriculture.
Imprégnation à l'huile des surfaces lors des impacts d'émulsion. (A) Images au microscope de la surface après impacts de gouttelettes d'émulsion à diverses concentrations sur des surfaces superhydrophobes inclinées à We =30. (B) Instantanés de vidéos à haute vitesse de la phase d'étalement d'une émulsion d'hexadécane dans l'eau à 20 % impact de gouttelettes sur une surface superhydrophobe transparente (We =60). Le foyer de la lentille est sur le plan d'interface entre la goutte et la surface. Les points noirs sont des gouttelettes d'huile qui se déposent sur la surface. (C) Mesures expérimentales du diamètre de dépôt normalisé en fonction du nombre de Weber pour différentes concentrations d'émulsions huile dans eau. (D) Couverture d'huile de la surface après impact. Les symboles sont des mesures expérimentales (écart-type de six expériences répétées avec un We variant entre 10 et 40), et la ligne continue est la prédiction de notre modèle. La zone grise ombrée montre les prédictions du modèle pour les rayons de gouttelettes d'huile allant de 400 à 900 nm. L'encart est un schéma du changement de forme des gouttelettes d'huile lorsqu'elles imprègnent la surface. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abl7160
Les scientifiques ont étudié le comportement des impacts de gouttelettes d'émulsion en mélangeant l'huile modèle hexadécane avec de l'eau, et ont utilisé un sonicateur à sonde pour produire une émulsion huile dans eau pour les pulvérisations agricoles. Ils ont utilisé l'hexadécane comme modèle et n'ont pas inclus de tensioactifs, pour prouver que les formulations sans tensioactifs peuvent assurer efficacement la rétention des gouttelettes. Les émulsions sans tensioactif étaient métastables pendant plus de trois heures, soit plus longtemps que la durée typique des pulvérisations agricoles. Damak a souligné l'importance de cette méthode :« De nombreux pesticides sont déjà pulvérisés sous forme d'émulsions d'huile et ce travail peut permettre aux producteurs d'ajuster les paramètres de ces émulsions pour les rendre beaucoup plus efficaces, sans ajouter d'autres produits chimiques. Les émulsions peuvent donc être fabriquées à la ferme et pulvérisées alors qu'elles sont encore stables. Dans la configuration expérimentale, l'équipe a utilisé une aiguille pour distribuer des gouttelettes sur une surface superhydrophobe et a fait varier la concentration d'huile dans l'émulsion dans le but de retenir les gouttelettes d'eau porteuses, tandis que les molécules de pesticides atteignaient la surface de la plante. L'équipe a expliqué le phénomène via un mécanisme en trois phases.
Étapes expérimentales :imprégnation d'huile, formation de crêtes, transition rebondissant-collant-rebondissant
Damak et al. imagé la surface après l'impact d'une goutte d'émulsion huile dans eau, à l'aide d'un microscope optique. Au cours de la deuxième phase, ils ont noté la formation d'une crête d'huile autour de la gouttelette d'émulsion. Au fur et à mesure que la gouttelette d'émulsion s'éloignait, l'équipe a remarqué une surface partiellement remplie d'huile. A l'issue de cette phase, ils ont observé une force d'aspiration exercée par la goutte pour l'empêcher de rebondir. Au fur et à mesure que l'énergie de surface est reconvertie en énergie cinétique, la gouttelette d'émulsion a commencé à accélérer verticalement avec une "force équivalente d'accélération de rebond" typique. Les chercheurs ont compris l'origine de la transition rebondir-coller-rebondir par rapport aux nombres de Weber; un paramètre représentant le rapport des forces hydrodynamiques perturbatrices à la force de tension superficielle stabilisatrice. "Nous avons constaté que l'huile émulsionnée peut se déposer sur la surface pendant la durée de l'impact et exercer une force d'aspiration sur la gouttelette, l'empêchant de rebondir sur la surface", a déclaré Damak.
Transitions rebondir-coller-rebondir. (A) Schéma d'un diagramme de corps libre d'une gouttelette se rétractant après impact, montrant la pression exercée par l'atmosphère, la pression exercée par la couche d'huile en dessous et la force de tension superficielle le long de la ligne de contact. (B) Instantanés d'une goutte d'eau avec 10 % d'hexadécane impactant avec un nombre de Weber de 24. La première rangée contient des photographies de la goutte entière à différents stades, et la deuxième rangée contient des photographies agrandies montrant la crête d'huile chaque fois qu'elle est visible. (C) Les valeurs du rapport de force calculé de la force de rebond à la force de collage dans les expériences d'impacts d'émulsion avec différentes concentrations (axe y gauche) en fonction du nombre de Weber expérimental. Les symboles verts représentent les gouttelettes collantes, tandis que les symboles rouges représentent les gouttelettes rebondissantes. Les couleurs des lignes représentent différentes concentrations d'huile. Les formes représentent différents modèles d'instabilité (carrés pour aucune instabilité, losanges pour les éclaboussures et cercles pour l'instabilité de la jante et le début des éclaboussures). Les lignes pleines sont des estimations du modèle des rapports de force pour trois concentrations d'huile basées sur l'équation dérivée pour le rapport de force. La ligne noire en pointillés indique un rapport de force de 1, qui est la transition théorique du rebondissement au collage. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abl7160
Imprégnation des surfaces par impact de gouttelettes d'émulsion et effet sur la transition rebond/collage. (A) Instantanés d'une vidéo haute vitesse vue de dessus d'une émulsion d'huile de silicone 10 cSt dans l'eau impactant sur une surface à We =27. (B) Instantanés d'une vidéo haute vitesse vue de dessus d'une huile de silicone 1000 cSt en émulsion d'eau impactant sur une surface à We =24. (C) Résultats d'impact expérimentaux d'émulsions huile-dans-eau de différentes viscosités sur des surfaces superhydrophobes et de gouttelettes d'eau sur des surfaces imprégnées de liquide (LIS) avec des huiles lubrifiantes de différentes viscosités. La ligne continue inférieure montre la limite en dessous de laquelle les forces d'aspiration maximales ne surmontent pas l'inertie des gouttelettes et où le rebondissement devrait toujours se produire pour les émulsions. La ligne pleine supérieure montre la limite de viscosité au-dessus de laquelle les gouttelettes d'huile dans l'émulsion n'ont pas le temps d'imprégner la surface pendant le temps de contact et la surface pendant la phase de rétraction diverge d'une surface de type LIS. En médaillon :couverture de surface directement après le rebond pour différentes huiles de viscosité à une concentration de 10 %. D'autres points de données sont des huiles de silicone à diverses viscosités. Les données ont été recueillies pour We =30 et We =50, et il n'y avait aucune dépendance du nombre de Weber. Les barres d'erreur indiquent l'écart-type sur 10 mesures pour l'huile de silicone et 6 mesures pour l'hexadécane. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abl7160
Pulvérisation macroscopique d'émulsion sur des surfaces non mouillantes. (A) Instantanés d'une vidéo à grande vitesse d'eau et d'émulsion (hexadécane à 8 % dans l'eau) pulvérisées sur des surfaces superhydrophobes. Les gouttelettes de pulvérisation sont de l'ordre de 1 mm de diamètre. Les chiffres de Weber se situaient principalement entre 40 et 200. Toutes les gouttelettes d'eau rebondissent, tandis que les gouttes d'émulsion collent et s'accumulent sur la surface (voir films S9 et S10). (B) Graphiques du volume retenu de liquide pulvérisé sur la surface superhydrophobe après avoir pulvérisé à plusieurs reprises des quantités fixes d'eau et d'émulsions d'hexadécane à 20 %. Les lignes pointillées sont des ajustements linéaires. La pente de la ligne pointillée rouge correspondant au cas de l'émulsion est 10 fois plus grande que la pente de la ligne d'eau. (C) Photographie d'une feuille d'hosta après avoir pulvérisé le côté gauche avec de l'eau et le côté droit avec une émulsion d'hexadécane à 20 %. Le côté gauche reste en grande partie sec, tandis qu'un film de liquide recouvre le côté droit. Crédit :Progrès scientifiques (2022). DOI :10.1126/sciadv.abl7160
Perspectives
L'équipe a ainsi exploré les effets de la viscosité de l'huile et a formé une carte de conception pour des pulvérisations d'émulsion efficaces avec une gamme optimale de viscosités et une gamme optimale de nombres de Weber. Ils ont conçu les sprays pour répondre aux régimes de nombre et de viscosité de Weber. Ils ont effectué des expériences macroscopiques supplémentaires avec les pulvérisations et obtenu des vidéos à grande vitesse de pulvérisations d'eau et d'émulsion impactant une surface superhydrophobe. De cette façon, Damak et ses collègues ont dévoilé un mécanisme jusqu'ici inconnu pour coller des gouttelettes d'émulsion sur des surfaces superhydrophobes. L'équipe a exploré les mécanismes physiques sous-jacents pour montrer l'efficacité de la méthode lors de la rétention de pulvérisation avec le système modèle sans tensioactif.
