Des gouffres microscopiques formant une mer de pics coniques et déchiquetés parsèment la surface d'un matériau appelé silicium noir. Bien qu'on le trouve couramment dans la technologie des cellules solaires, le silicium noir sert également d'outil pour étudier la physique du comportement des gouttelettes d'eau.
Le silicium noir est un matériau superhydrophobe, ce qui signifie qu'il repousse l'eau. En raison des propriétés uniques de tension superficielle de l'eau, les gouttelettes glissent sur des matériaux texturés comme le silicium noir en chevauchant un mince espace de film d'air emprisonné en dessous. Cela fonctionne très bien lorsque les gouttelettes se déplacent lentement : elles glissent et glissent sans accroc.
Mais lorsque la gouttelette se déplace plus rapidement, une force inconnue semble tirer sur son ventre. Cela a déconcerté les physiciens, mais une équipe de chercheurs de l'Université Aalto et de l'ESPCI Paris a désormais une explication, et dispose des chiffres pour l'étayer.
Matilda Backholm, professeure adjointe à l'Université Aalto, est la première auteure de l'article qui détaille ces résultats, publié le 15 avril dans le Actes de l'Académie nationale des sciences. Elle a mené cette étude pendant ses années de chercheuse postdoctorale au sein du groupe Matière molle et mouillage du professeur Robin Ras au Département de physique appliquée.
« Lors de l’observation des interactions eau-surface, trois forces sont généralement en jeu : le frottement de la ligne de contact, les pertes visqueuses et la résistance de l’air. Cependant, il existe une quatrième force qui résulte du mouvement des gouttelettes sur des surfaces très glissantes comme le silicium noir. Ce mouvement crée en fait un effet de cisaillement sur l’air emprisonné en dessous, entraînant une force de traînée sur la gouttelette elle-même. Cette force de cisaillement n’a jamais été expliquée auparavant, et nous sommes les premiers à l’identifier », explique Backholm.
Les interactions complexes de la physique des fluides et de la matière molle s’avèrent difficiles à simplifier en formules simples. Mais Backholm a réussi à développer un sans souci pour mesurer ces minuscules forces, expliquer comment la force fonctionne et enfin fournir la solution pour éliminer complètement la force de traînée.
Effet de cisaillement de l'air
Créer de meilleures surfaces superhydrophobes rendrait les systèmes de transport du monde plus aérodynamiques, les dispositifs médicaux plus stériles et améliorerait généralement la glissance de tout ce qui nécessite une surface hydrofuge.
Le silicium noir exploite la tension superficielle spécifique de l'eau pour minimiser le contact entre la gouttelette et la surface. Des cônes gravés sur le substrat font glisser les gouttelettes d’eau sur un espace de film d’air, appelé plastron. Mais, contre-intuitif, le mécanisme même qui permet aux surfaces hydrophobes de dévier les gouttelettes d'eau conduit également à l'effet de cisaillement décrit dans l'article de Backholm.
« Le domaine a rendu ces surfaces ultra glissantes en réduisant la longueur des cônes pour les rendre plus petits et plus nombreux. Mais personne ne s'est arrêté pour réaliser : « Hé, nous travaillons en fait contre nous-mêmes ici. » En réalité, graver des cônes plus courts sur la surface noire du silicium entraîne un effet de cisaillement de l’air plus important », explique Backholm.
D’autres chercheurs ont constaté l’existence de cette force mais n’ont pas pu l’expliquer. Les découvertes de Backholm incitent à reconsidérer la façon dont les surfaces ultra glissantes sont conçues. La solution de contournement de son équipe consistait à ajouter des cônes plus hauts avec des capuchons texturés sur la surface de silicium noir afin de minimiser davantage la surface totale de contact des gouttelettes.
« Ce travail s’appuie sur la richesse de l’expertise du groupe de recherche Matière Molle et Mouillage sur le sujet des surfaces superhydrophobes. L'occasion se présente rarement d'expliquer pleinement les subtilités des forces microscopiques impliquées dans la dynamique du mouillage, mais c'est exactement ce que cet article accomplit », explique Ras.
Technique spécialisée
Backholm a adapté une technique unique de mesure par micropipette pour évaluer les forces agissant contre les gouttelettes d'eau. Elle est une experte de ces capteurs de force à micropipettes, les ayant utilisés pour mesurer la dynamique de croissance des racines des plantes, le comportement de nage d'essaims de crevettes mésoscopiques, et maintenant pour observer les forces exercées sur les gouttelettes d'eau en mouvement.
Grâce à un réglage minutieux, elle a pu utiliser cette technique pour faire une percée dans l'identification de l'effet de cisaillement. Backholm a fait osciller la gouttelette et la sonde pour détecter les forces subtiles qui tiraient en dessous.
« Nous avons également exclu la possibilité que d’autres forces soient en jeu sur la ligne de contact en effectuant ces mêmes tests sur des gouttelettes carbonatées. Ces gouttelettes dégagent constamment du dioxyde de carbone, les faisant léviter légèrement au-dessus des surfaces sur lesquelles elles reposent. Malgré tout, l’effet de cisaillement a été mesuré à certaines vitesses, confirmant finalement que cette force agit indépendamment de son contact avec la surface de silicium noir », explique Backholm.
Backholm espère que ces découvertes permettront aux physiciens et aux ingénieurs de développer des surfaces hydrophobes offrant de meilleures performances.