Dans de nombreuses situations, les ingénieurs veulent minimiser le contact des gouttelettes d'eau ou d'autres liquides avec les surfaces sur lesquelles elles tombent. Que l'objectif soit d'empêcher la formation de glace sur une aile d'avion ou une pale d'éolienne, ou empêcher la perte de chaleur d'une surface pendant les précipitations, ou empêcher l'accumulation de sel sur les surfaces exposées aux embruns océaniques, faire rebondir les gouttelettes le plus rapidement possible et minimiser la quantité de contact avec la surface peut être la clé du bon fonctionnement des systèmes.

Maintenant, une étude menée par des chercheurs du MIT démontre une nouvelle approche pour minimiser le contact entre les gouttelettes et les surfaces. Alors que les tentatives précédentes, y compris par les membres d'une même équipe, se sont concentrés sur la minimisation du temps que la gouttelette passe en contact avec la surface, la nouvelle méthode se concentre plutôt sur l'étendue spatiale du contact, en essayant de minimiser la distance à laquelle une gouttelette s'étend avant de rebondir.

Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue ACS Nano dans un article d'Henri-Louis Girard, étudiant diplômé du MIT, post-doctorant Dan Soto, et professeur de génie mécanique Kripa Varanasi. La clé du processus, ils expliquent, crée une série de formes annulaires surélevées à la surface du matériau, ce qui fait que la gouttelette qui tombe éclabousse vers le haut dans un motif en forme de bol au lieu de s'écouler à plat sur la surface.

Le travail fait suite à un projet antérieur de Varanasi et de son équipe, dans lequel ils ont pu réduire le temps de contact des gouttelettes sur une surface en créant des arêtes surélevées sur la surface, ce qui a perturbé le schéma de propagation des gouttelettes impactantes. Mais le nouveau travail va plus loin, obtenir une réduction beaucoup plus importante de la combinaison du temps de contact et de la surface de contact d'une gouttelette.

Afin d'éviter le givrage sur une aile d'avion, par exemple, il est essentiel de faire rebondir les gouttelettes d'eau impactées en moins de temps qu'il n'en faut pour que l'eau gèle. La surface striée antérieure a réussi à réduire le temps de contact, mais Varanasi dit " depuis lors, nous avons découvert qu'il y a autre chose en jeu ici, " c'est-à-dire jusqu'où la goutte s'étend avant de rebondir et de rebondir. " La réduction de la zone de contact de la gouttelette impactante devrait également avoir un impact considérable sur les propriétés de transfert de l'interaction, " dit Varanasi.

L'équipe a lancé une série d'expériences qui ont démontré que des anneaux surélevés de la bonne taille, recouvrant la surface, provoquerait à la place une éclaboussure vers le haut de l'eau qui s'écoule d'une gouttelette percutante, former une éclaboussure en forme de bol, et que l'angle de cette éclaboussure vers le haut pouvait être contrôlé en ajustant la hauteur et le profil de ces anneaux. Si les anneaux sont trop gros ou trop petits par rapport à la taille des gouttelettes, le système devient moins efficace ou ne fonctionne pas du tout, mais quand la taille est bonne, l'effet est dramatique.

Il s'avère que la seule réduction du temps de contact n'est pas suffisante pour obtenir la plus grande réduction de contact; c'est la combinaison du temps et de la zone de contact qui est critique. Dans un graphique du temps de contact sur un axe, et l'aire de contact sur l'autre axe, ce qui compte vraiment, c'est la surface totale sous la courbe, c'est-à-dire le produit du temps et de l'étendue du contact. La zone de propagation était "était un autre axe que personne n'a touché" dans les recherches précédentes, dit Girard. « Quand nous avons commencé à le faire, nous avons vu une réaction drastique, " réduisant le temps et la surface de contact total de la gouttelette de 90 pour cent. " L'idée de réduire la surface de contact en formant des " bols d'eau " a un effet bien plus important sur la réduction de l'interaction globale qu'en réduisant le temps de contact seul, " dit Varanasi.

Lorsque la gouttelette commence à se répandre dans le cercle surélevé, dès qu'il touche le bord du cercle, il commence à dévier. « Son élan est redirigé vers le haut, " Girard dit, et bien qu'il finisse par s'étendre vers l'extérieur aussi loin qu'il l'aurait fait autrement, il n'est plus à la surface, et donc ne pas refroidir la surface, ou conduisant au givrage, ou boucher les pores sur un tissu "imperméable".

Les anneaux eux-mêmes peuvent être fabriqués de différentes manières et à partir de différents matériaux, les chercheurs disent que c'est juste la taille et l'espacement qui comptent. Pour certains tests, ils ont utilisé des anneaux imprimés en 3D sur un substrat, et pour d'autres, ils ont utilisé une surface avec un motif créé par un processus de gravure similaire à celui utilisé dans la fabrication de micropuces. D'autres bagues ont été fabriquées par fraisage de plastique contrôlé par ordinateur.

Alors que les impacts de gouttelettes à plus grande vitesse peuvent généralement être plus dommageables pour une surface, avec ce système, les vitesses plus élevées améliorent en fait l'efficacité de la redirection, dégageant encore plus de liquide qu'à des vitesses plus lentes. C'est une bonne nouvelle pour les applications pratiques, par exemple face à la pluie, qui a une vitesse relativement élevée, dit Girard. « En fait, cela fonctionne mieux plus vous allez vite, " il dit.

En plus d'empêcher la glace des ailes d'avion, le nouveau système pourrait avoir une grande variété d'applications, disent les chercheurs. Par exemple, les tissus "imperméables" peuvent devenir saturés et commencer à fuir lorsque l'eau remplit les espaces entre les fibres, mais lorsqu'il est traité avec les anneaux de surface, les tissus ont conservé leur capacité à évacuer l'eau plus longtemps, et a mieux performé dans l'ensemble, dit Girard. « Il y a eu une amélioration de 50 % en utilisant les structures en anneau, " il dit.