Des chercheurs de l'EPFL ont découvert qu'une gouttelette de liquide peut rebondir pendant plusieurs minutes, voire indéfiniment, sur une surface solide en vibration. Cette observation apparemment simple a de grandes implications pour la physique et la chimie.
Si vous avez déjà ajouté du liquide dans une poêle à frire chaude, vous avez peut-être remarqué comment les gouttelettes bouillonnaient et glissaient sur la surface grésillante, plutôt que de s'aplatir et de se mouiller immédiatement. Cela se produit parce que la chaleur de la casserole commence à faire bouillir le dessous des gouttelettes, produisant de la vapeur qui agit comme un coussin isolant sur lequel elles peuvent momentanément danser.
Auparavant, les scientifiques avaient produit une version à température ambiante de ce phénomène, connue sous le nom d'effet Leidenfrost, en remplaçant la surface chaude par un bain liquide vibrant rapidement. Dans ces expériences, les vibrations produisaient un mince film d’air sur lequel les gouttelettes de liquide pouvaient rebondir et planer perpétuellement.
Des chercheurs de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL ont montré expérimentalement qu'une gouttelette d'huile peut rebondir sur une surface solide vibrante à température ambiante pendant cinq minutes maximum.
« Ce qui est intéressant ici, c'est que les observations précédentes de gouttelettes rebondissant perpétuellement étaient déterminées par la surface changeante du bain liquide vibrant, mais dans notre cas, la surface est solide, donc les propres déformations de la goutte déterminent son comportement unique », explique John Kolinski, responsable du laboratoire d'ingénierie mécanique des interfaces douces.
« Nos travaux fournissent de nouvelles connaissances en physique et mettent en évidence le potentiel de manipulation précise de petites quantités de liquides dans l'air. »
Les scientifiques ont publié leurs observations, accompagnées d'un modèle pour les expliquer et les prédire, dans la revue Lettres d'examen physique.
Au cours de leurs expériences, les chercheurs ont libéré une gouttelette d’huile de silicium de 1,6 millimètre sur une surface solide, sous laquelle une scène produisait des vibrations contrôlées. Premier auteur et doctorat. L'étudiant Lebo Molefe compare cela au fait de faire rebondir une balle sur une raquette de tennis de table.
« Si nous remplaçons la balle par une goutte de liquide, nous constatons qu'elle peut rebondir perpétuellement au-dessus d'une fine couche d'air sur une « palette » vibrante, qui dans notre cas est faite de mica, un matériau spécial atomiquement lisse », dit-elle.
En jouant avec la fréquence et l'amplitude de ces vibrations, les chercheurs ont produit deux comportements distincts des gouttelettes : certaines fréquences donnaient l'impression que la gouttelette rebondissait comme un ballon de basket, tandis que d'autres la faisaient monter et descendre rapidement sans jamais quitter le mince coussin d'air au-dessus du mica.
Comme l'explique Molefe, la transition entre ces deux états est liée à la façon dont la surface de la gouttelette se gonfle et se déforme lorsqu'elle interagit avec la surface rigide située en dessous. « Pour « sauter » de la surface, la goutte a besoin de suffisamment de temps pour s'aplatir, donc la tension superficielle l'amène à stocker de l'énergie comme un ressort hélicoïdal. À des fréquences de vibration élevées, il n'y a pas assez de temps pour que cela se produise, donc la goutte semble être coincée près de la surface. «
Pour interpréter leurs observations, Tomas Fullana, chercheur au Laboratoire de mécanique des fluides et d'instabilités, a mené des simulations numériques visant à caractériser la dynamique complexe du rebond des gouttelettes, facilitant ainsi le développement d'un modèle permettant à l'équipe de simuler et de prédire avec précision leurs comportements de rebond mesurés.
Fait intéressant, ils ont découvert que le temps de vol stationnaire de la gouttelette semblait être limité uniquement par sa progression latérale à travers la surface du mica, car elle finirait par rencontrer un défaut qui romprait le film d'air situé en dessous, déclenchant l'habituelle « éclaboussure ».
Sinon, dit Fullana, « nos simulations numériques montrent qu'une goutte pourrait conserver suffisamment d'énergie cinétique pour rebondir pendant une période prolongée, et peut-être indéfiniment ».
Les chercheurs affirment que leurs découvertes pourraient changer la façon dont les scientifiques envisagent la manipulation de quantités extrêmement faibles de liquide dans l’air à température ambiante – un défi important dans l’industrie pharmaceutique, où la pureté et la précision chimiques sont primordiales. Par exemple, dans une expérience de validation de principe, l'équipe de l'EPFL a réussi à contrôler le mouvement latéral de sa gouttelette rebondissante sur la surface du mica, à l'aide de « pinces » constituées de minuscules jets d'air comprimé.
