Lorsqu'une gouttelette de liquide de la taille d'un grain de sucre glace frappe une surface de répartition de l'eau, comme des plastiques ou certaines feuilles de plantes, elle peut rencontrer l'un des deux destins: bâton ou rebond. Jusqu'à présent, les scientifiques pensaient que rebondir ne dépendait que de la répulsion de la surface et de la façon dont la gouttelette a perdu son énergie d'impact. La vitesse, ils supposaient, n'avait pas d'importance.
Maintenant, de nouvelles recherches publiées dans le Actes de l'Académie nationale des sciencesmontre que la vitesse est en fait le facteur décisif – et que les gouttelettes ne rebondissent que dans une « zone Goldilocks », ou juste la bonne plage de vitesse.
« Le rebond se produit uniquement dans une fenêtre de vitesse très étroite », a déclaré Jamie McLauchlan, premier auteur de l'étude et du doctorat. Étudiant à l'Université de Bath.
« Si la gouttelette se déplace trop lentement, elle colle. Trop vite, et qu'il colle à nouveau. Ce n'est que entre les deux possible, où il y a suffisamment d'élan pour se détacher de la surface, mais pas tellement qu'il s'effondre. »
Les chercheurs ont également découvert un effet de taille: les gouttelettes trop petites ne peuvent pas rebondir, quelle que soit leur vitesse. L'étude a révélé que la viscosité (quelle est l'épaisseur du liquide) impose une limite de taille fondamentale, empêchant les plus petites gouttelettes de rebondir.
Pour enquêter, les scientifiques ont utilisé des caméras à grande vitesse pour capturer des gouttelettes de 30 à 50 micromètres de larges sur les surfaces de répartition de l'eau à 1 à 10 mètres par seconde. Les caméras ont ralenti les événements de 100 000 fois et ont zoomé suffisamment près pour révéler des détails plus fins qu'un cheveux humains, qui ont ensuite été comparés aux simulations informatiques.
Ils ont également développé un simple modèle de printemps pour expliquer le comportement. À l'intérieur d'une gouttelette, de nombreux mouvements minuscules se produisent à la fois, ce qui rend trop complexe pour simuler complètement. Le modèle traite la gouttelette comme un minuscule ressort, capturant les forces clés – la mouche de la surface, la viscosité (quelle épaisseur est d'épaisseur), la tension de surface et la vitesse (inertie).
Sur les surfaces parfaitement hydrofuges, les gouttelettes peuvent rebondir à n'importe quelle vitesse. Mais sur les surfaces du monde réel, le rebond se produit uniquement lorsque toutes ces forces sont délicatement équilibrées.
« Il est remarquable qu'un processus aussi compliqué puisse être décrit avec seulement deux équations simples », a fait remarquer le Dr Adam Squires de l'Université de Bath.
« Un système composé de quelques masses, de ressorts et d'un amortisseur, combinés à un petit ensemble de règles, a pu reproduire une partie du comportement compliqué des véritables gouttelettes. »
Les résultats ont des applications larges. En impression, comprendre la fenêtre de vitesse pour le rebond permet d'assurer un dépôt d'encre fiable sur les surfaces réparties en eau. Dans l'agriculture, il suggère des moyens d'empêcher les pesticides de rebondir sur les feuilles. Et en santé, il met en évidence comment les gouttelettes respiratoires peuvent s'en tenir au mobilier, ou rebondir et rester dans l'air, influençant la façon dont les maladies se propagent.
« La partie passionnante est que nos résultats donnent des stratégies claires pour contrôler les gouttelettes », a déclaré le professeur agrégé Anton Souslov, auteur correspondant du journal du Cavendish Laboratory, Université de Cambridge.
« Par exemple, l'utilisation de revêtements plus hydrophiles peut supprimer le rebond à travers un large éventail de conditions. Qui se connecte directement aux technologies des revêtements au contrôle des aérosols. »
En tant qu'étapes suivantes, les chercheurs veulent maintenant explorer comment d'autres facteurs influencent le comportement des gouttelettes, tels que la charge électrique, les liquides viscoélastiques qui se comportent en partie comme les solides et les surfactants, les substances qui réduisent la tension de surface comme le savon et sont courantes dans les gouttelettes biologiques.
Ces propriétés sont répandues dans les systèmes réels et sont susceptibles de déplacer la frontière entre le collage et le rebond. Ils peuvent également révéler des phénomènes nouveaux et inattendus.
