Des gouttelettes d'eau qui font du trampoline

Si vous voyagez en avion ces prochains mois, vous serez peut-être témoin d'un rituel aéronautique hivernal au cours duquel les ailes sont débarrassées de la glace et de la neige avant le décollage à l'aide d'un liquide spécial. Cette opération est nécessaire car, dans certaines conditions météorologiques, les plus petites gouttelettes d'eau en suspension dans l'air peuvent geler et se transformer en glace lorsqu'elles se déposent sur les ailes de l'avion. Cela peut à son tour entraîner une turbulence du flux d'air au décollage et donc une baisse de la portance, ce qui peut rapidement devenir dangereux.

Il serait bien sûr encore mieux qu'un tel dégivrage si les gouttes de glace n'adhéraient pas du tout aux ailes ou si elles étaient même activement repoussées par celles-ci. Dans une étude publiée dans la revue scientifique Nature, des chercheurs de l'ETH ont montré qu'il est en principe possible de développer des matériaux qui sont quasiment allergiques à la glace et à l'eau. Pour ce faire, ils ont tout d'abord appris à de petites gouttelettes d'eau à faire du trampoline.

Forces mystérieuses

Le professeur Étudier à l'ETH Dimos Poulikakos et ses collaborateurs du Laboratoire de thermodynamique des nouvelles technologies ont étudié le comportement de gouttes d'eau sur des surfaces en plaçant une goutte de la taille d'un millimètre sur une surface de silicium rigide spécialement usinée, puis en abaissant progressivement la pression atmosphérique dans la chambre d'expérimentation, tandis qu'une caméra à haute vitesse filmait la goutte. Au début, la goutte est restée immobile sur la surface, mais à environ un vingtième de la pression atmosphérique normale, elle a soudainement bondi. Après un bref saut, la goutte a finalement atterri à nouveau sur la surface et a sauté à nouveau - encore plus haut que la première fois. Comme un trampolineur qui prend de la hauteur à chaque saut depuis la toile élastique, la goutte d'eau a été propulsée de plus en plus haut à chaque Contact avec la surface, bien que celle-ci soit absolument rigide. Ce qui ressemble à de la magie pour le profane apparaît tout d'abord à l'expert comme une prétendue violation des lois physiques fondamentales, selon lesquelles un corps qui rencontre une surface rigide ne peut en fait pas acquérir spontanément de l'énergie cinétique et donc rebondir plus haut. C'est pourtant ce qui semble se produire avec la goutte d'eau qui fait du trampoline.

Des gouttes propulsées par une fusée

Pour comprendre d'où venait la force qui projetait les gouttelettes d'eau, Poulikakos et ses post-doctorants Tom Schutzius et Stefan Jung ont analysé dans les moindres détails les mouvements de la goutte et, à l'aide d'une caméra thermique, la répartition de la température à l'intérieur de celle-ci. Les scientifiques de l'ETH, qui ont déjà percé quelques mystères des gouttes d'eau au cours des dernières années, ont maintenant découvert que l'interaction entre l'évaporation naturelle de l'eau et la microstructure de la surface du matériau joue un rôle décisif dans le phénomène du trampoline. La surpression créée par l'évaporation entre la surface et la goutte projette celle-ci en l'air comme un ressort à chaque impact.

Lors de la congélation d'une goutte d'eau refroidie bien en dessous de zéro degré ("super-refroidie"), l'effet d'évaporation est encore renforcé par ce que l'on appelle la recalescence. Cet effet est connu dans la transformation des métaux, par exemple dans le cas du fer forgé qui, pendant le refroidissement, s'échauffe à nouveau brièvement de lui-même jusqu'au rouge. Cela est dû au fait que l'intérieur du fer se solidifie et libère ainsi de la chaleur latente.

Il se passe quelque chose de très similaire avec une goutte d'eau : une goutte qui se refroidit en dessous du point de congélation par évaporation de l'eau à sa surface forme d'abord des cristaux de glace. La chaleur dégagée lors de cette transition de phase de liquide à solide réchauffe ensuite rapidement la goutte à zéro degré. "Ce réchauffement se produit en quelques millisecondes", explique Schutzius, "et entraîne ensuite une évaporation explosive". La goutte se refroidit ensuite à nouveau et le cycle se répète. L'évaporation explosive entraîne une surpression encore plus grande entre la goutte et la surface, ce qui la fait décoller comme une fusée.

Conception intelligente de surfaces

Mais l'astuce réside dans la surface elle-même : D'une part, elle doit être rugueuse pour que la goutte d'eau ne s'y accroche pas, mais d'autre part, elle ne doit pas être trop rugueuse, sinon la vapeur d'eau s'échapperait trop rapidement par les pores et les fissures de la surface et l'effet de fusée serait littéralement réduit à néant. Les surfaces de silicium microstructurées fabriquées par les chercheurs de l'ETH remplissent précisément ces conditions : Elles sont constituées de petites colonnes (de quelques micromètres seulement), régulièrement espacées d'environ cinq micromètres.

"Les résultats de nos recherches nous permettent de déduire comment les surfaces doivent généralement être conçues pour repousser énergiquement l'eau et la glace, et de les concevoir en conséquence", explique Poulikakos. Dans leur expérience, les chercheurs ont examiné différents matériaux, dont l'aluminium traité en surface et les nanotubes de carbone.

Pour rendre le mécanisme du trampoline encore plus pratique, il faudrait bien sûr en arriver à ce qu'il fonctionne aussi à la pression atmosphérique normale. Poulikakos et ses collaborateurs espèrent faire des progrès dans ce sens au cours des prochaines années. On pourrait alors imaginer les applications les plus diverses, allant des lignes à haute tension sans glace aux revêtements routiers hydrofuges et antigivrants - et peut-être rendre un jour le dégivrage des ailes d'avion superflu.