Elisa Riedo, professeure agrégée de Georgia Tech, pose avec une bouteille d'eau en verre et une bouteille d'eau en plastique. Bien que les matériaux des contenants n'affectent pas de manière significative la vitesse à laquelle l'eau s'écoule des bouteilles de cette taille, une nouvelle étude montre que les propriétés des conteneurs à l'échelle nanométrique affectent considérablement la viscosité de l'eau. Crédit :Rob Felt
L'eau se déverse dans une tasse à peu près au même débit, que la bouteille d'eau soit en verre ou en plastique.
Mais à des échelles nanométriques pour l'eau et potentiellement d'autres fluides, que le récipient soit en verre ou en plastique fait une différence significative. Une nouvelle étude montre que dans les canaux nanoscopiques, la viscosité effective de l'eau dans les canaux en verre peut être deux fois plus élevée que celle de l'eau dans les canaux en plastique. Les canaux de verre nanoscopiques peuvent faire couler l'eau plus comme du ketchup que de l'H2O ordinaire.
L'effet des propriétés des conteneurs sur les fluides qu'ils contiennent offre encore un autre exemple de phénomènes surprenants à l'échelle nanométrique. Et cela fournit également un nouveau facteur que les concepteurs de petits systèmes mécaniques doivent prendre en compte.
« À l'échelle nanométrique, la viscosité n'est plus constante, ces résultats aident donc à redéfinir notre compréhension de l'écoulement des fluides à cette échelle, " dit Elisa Riedo, professeur agrégé à l'École de physique du Georgia Institute of Technology. "Toute personne réalisant une expérience, développer une technologie ou tenter de comprendre un processus biologique impliquant de l'eau ou un autre liquide à cette échelle de taille devra désormais prendre en compte les propriétés des surfaces.
Ces effets pourraient être importants pour les concepteurs d'appareils tels que les imprimantes 3D haute résolution qui utilisent des buses à l'échelle nanométrique, systèmes nanofluidiques et même certains dispositifs biomédicaux. Considérant que l'eau nano-confinée est omniprésente dans le corps des animaux, dans les rochers, et en nanotechnologie, cette nouvelle compréhension pourrait avoir un large impact.
La recherche sur les propriétés des liquides confinés par différents matériaux a été parrainée par le Bureau des sciences fondamentales du ministère de l'Énergie et la National Science Foundation. Les résultats devaient être publiés le 19 septembre dans le journal Communication Nature .
Cette illustration montre comment la viscosité effective différente de l'eau affecte la force nécessaire pour faire glisser deux surfaces séparées par une fine couche d'eau lorsqu'elles sont confinées par un matériau hydrophile ou un matériau hydrophobe. Crédit :Elisa Riedo
Les différences de viscosité créées par les matériaux des conteneurs sont directement affectées par le degré auquel les matériaux sont soit hydrophiles, ce qui signifie qu'ils attirent l'eau, soit hydrophobes, ce qui signifie qu'ils la repoussent. Les chercheurs pensent que dans les matériaux hydrophiles, l'attraction pour l'eau - une propriété connue sous le nom de "mouillabilité" - rend les molécules d'eau plus difficiles à déplacer, contribuant à une augmentation de la viscosité effective du fluide. D'autre part, l'eau n'est pas aussi attirée par les matériaux hydrophobes, rendant les molécules plus faciles à déplacer et produisant une viscosité plus faible.
Dans une recherche rapportée dans la revue, ce comportement de l'eau n'est apparu que lorsque l'eau était confinée dans des espaces de quelques nanomètres ou moins, l'équivalent de quelques couches de molécules d'eau. La viscosité a continué à augmenter au fur et à mesure que les surfaces se rapprochaient.
L'équipe de recherche a étudié l'eau confinée par cinq surfaces différentes :le mica, oxyde de graphène, silicium, carbone de type diamant, et graphite. Mica, utilisé dans l'industrie du forage, était le plus hydrophile des matériaux, tandis que le graphite était le plus hydrophobe.
"Nous avons vu une relation directe claire entre le degré auquel le matériau de confinement était hydrophile et la viscosité que nous avons mesurée, " dit Riedo.
Expérimentalement, les chercheurs ont commencé par préparer des surfaces atomiquement lisses des matériaux, puis en y plaçant de l'eau hautement purifiée. Prochain, une pointe AFM en silicium a été déplacée sur les surfaces à différentes hauteurs jusqu'à ce qu'elle entre en contact. La pointe d'environ 40 nanomètres de diamètre a ensuite été soulevée et les mesures se sont poursuivies.
Au fur et à mesure que la viscosité de l'eau augmente, la force nécessaire pour déplacer la pointe de l'AFM a également augmenté, l'amenant à se tordre légèrement sur la poutre en porte-à-faux utilisée pour élever et abaisser la pointe. Les changements de cet angle de torsion ont été mesurés par un laser rebondi sur le cantilever réfléchissant, fournir une indication des changements de la force exercée sur la pointe, la résistance visqueuse exercée et donc la viscosité effective de l'eau.
"Lorsque la pointe de l'AFM était à environ un nanomètre de la surface, on a commencé à voir une augmentation de la force visqueuse agissant sur la pointe pour les surfaces hydrophiles, " a déclaré Riedo. " Nous avons dû utiliser des forces plus importantes pour déplacer la pointe à ce stade, et plus nous nous rapprochions de la surface, plus cela devenait dramatique."
Ces différences peuvent être expliquées en comprenant comment l'eau se comporte différemment sur différentes surfaces.
« À l'échelle nanométrique, les forces d'interaction liquide-surface deviennent importantes, en particulier lorsque les molécules liquides sont confinées dans de minuscules espaces, " expliqua Riedo. " Quand les surfaces sont hydrophiles, l'eau colle à la surface et ne veut pas bouger. Sur les surfaces hydrophobes, l'eau glisse sur les surfaces. Avec cette étude, non seulement avons-nous observé cette viscosité nanométrique dépendante du mouillage, mais nous avons aussi pu expliquer quantitativement l'origine des changements observés et les relier au glissement de frontière. Cette nouvelle compréhension a pu expliquer les résultats peu clairs précédents de la dissipation d'énergie lors d'études AFM dynamiques dans l'eau. »
Alors que les chercheurs n'ont jusqu'à présent étudié que l'effet des propriétés des matériaux dans les canaux d'eau, Riedo prévoit de réaliser des expériences similaires sur d'autres fluides, y compris les huiles. Au-delà des simples fluides, elle espère étudier des fluides complexes composés de nanoparticules en suspension pour déterminer comment le phénomène change avec la taille des particules et la chimie.
"Il n'y a aucune raison pour que cela ne soit pas vrai pour d'autres liquides, ce qui signifie que cela pourrait redéfinir la façon dont la dynamique des fluides est comprise à l'échelle nanométrique, ", a-t-elle déclaré. "Chaque technologie et processus naturel qui utilise des liquides confinés à l'échelle nanométrique sera affecté."
