Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont propulsé des nanogouttelettes d'eau à travers une surface de graphène à des vitesses allant jusqu'à 250 km (155 miles) par heure, ce qui, en comparaison, est environ deux fois plus rapide qu'un guépard qui sprinte. Les vitesses ultrarapides des gouttelettes d'eau ne nécessitent aucune pompe, mais se produisent plutôt simplement en raison des motifs géométriques sur la surface du graphène, qui créent des angles de contact différents à l'avant et à l'arrière des gouttelettes en mouvement pour les propulser vers l'avant.

Les chercheurs, Ermioni Papadopoulou et Petros Koumoutsakos à l'ETH Zürich, Constantine M. Megaridis à l'Université de l'Illinois à Chicago, et Jens H. Walther à l'ETH Zürich et à l'Université technique du Danemark, ont publié un article sur les gouttelettes d'eau en mouvement rapide dans un récent numéro de ACS Nano .

"Nous pouvons obtenir un transport dirigé à très grande vitesse de gouttelettes d'eau à l'échelle nanométrique, sans dépenser d'énergie mais simplement par la structuration du graphène, " a dit Koumoutsakos Phys.org . "Cela peut avoir des applications importantes dans la nano-fabrication et l'administration précise de médicaments. Cela fournit également pour la première fois une explication quantitative simple du transport ultrarapide de l'eau à l'échelle nanométrique."

Ce mode de transport à l'échelle nano/micro est très différent de tout ce qui est observé à l'échelle macro. La surface du graphène a été structurée pour créer des gradients de mouillabilité, allant d'hydrophobe à hydrophile. Les nanogouttelettes d'eau, chacun constitué d'environ 1500 molécules d'eau, ont ensuite été déposés en surface. Les différents motifs de surface ont créé de grands angles de contact sur les domaines hydrophobes et des angles de contact plus petits sur les domaines hydrophiles. Les différences d'angles de contact aux extrémités avançant et reculant des gouttelettes d'eau mettent les gouttelettes en mouvement et les accélèrent vers l'avant.

Des mécanismes similaires se retrouvent dans la nature, comme à la surface du scarabée du désert du Namib et du réseau veineux des feuilles de bananier. Ces surfaces ont des motifs qui améliorent la collecte et le transport de l'eau.

Dans des expériences avec le graphène, les chercheurs ont observé des vitesses de gouttelettes d'eau de l'ordre de 100 mètres par seconde, ce qui est deux ordres de grandeur plus rapide que les vitesses les plus élevées signalées pour les gouttelettes d'eau propulsées par certaines autres méthodes, comme les gradients d'énergie de surface. Comme prévu, les gouttelettes plus petites se déplacent plus rapidement que les plus grosses en raison de l'inertie accrue des gouttelettes plus grosses et d'une plus grande friction avec la surface.

Après avoir analysé les mécanismes sous-jacents au transport de l'eau, les chercheurs ont dérivé une loi d'échelle et développé un modèle qui peut être utilisé pour prédire les trajectoires des gouttelettes. Ces informations peuvent être utilisées pour concevoir de futurs dispositifs pour des applications potentielles, comme l'administration de médicaments à haute efficacité, production d'électricité, et dissipation thermique ultrarapide pour les systèmes à nano et micro-échelle. Les chercheurs prévoient d'étudier plus avant les mécanismes de transport de l'eau à grande vitesse dans des endroits autres que le graphène.

"Nous étudions le transport ultrarapide de l'eau dans d'autres nanostructures, comme les nanotubes de carbone, ", a déclaré Koumoutsakos.

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