Il y a une explication simple que quand un liquide sur une surface rugueuse formera un film mince et quand il va former des gouttelettes
Le phénomène des liquides de revêtement des surfaces rugueuses sous la forme de films ou de gouttelettes est monnaie courante. La rosée du matin convertit l'herbe et les feuilles en scènes d'une beauté magique, tandis qu'une mince pellicule d'eau de pluie sur la route peut constituer un danger pour tous les pilotes - surtout si elle gèle. Mais comment pouvons-nous dire dans quelles conditions un liquide formera un film continu ou des gouttes juste isolées? Les théories actuelles décrivent généralement des surfaces idéalement lisses, qui ne sont pas si pertinente dans le monde réel. Maintenant, pour la première fois, les scientifiques de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation de Göttingen ont développé une théorie générale qui fournit une réponse à la question de film ou de gouttelettes pour les surfaces rugueuses. Il est basé sur des expressions mathématiques étonnamment simples - et pourrait permettre de prédire, par exemple, si (et quand) les courts-circuits sont susceptibles de se produire dans les postes de transformation.
Les liquides en grandes quantités sont extrêmement adaptables. Ils vont remplir tout type de navire et d'adapter leur forme extérieure à toute surface ou à la frontière. Les films microscopiquement minces de liquide, cependant, sont une autre histoire. Ils doivent servir de médiateur entre la surface rugueuse d'un objet et la surface libre du liquide, qui vise toujours à être aussi lisse que possible en raison de l'influence de la tension superficielle. Dans cette corde raide, moins d'énergie peut être nécessaire pour former de minuscules gouttelettes sur une surface d'un film; tel est le cas de la rosée du matin qui se forme sur les feuilles, les toiles d'araignées et pare-brise.
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En effet lotus, une mince couche d'air couvre
la
rugosité de surface microscopique. L’eau
ne peut pas pénétrer et fonctionne ..
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Maintenant, pour la première fois, des chercheurs de l'Institut Max Planck de dynamique et d'auto-organisation de Göttingen ont réussi à établir une théorie générale de ce phénomène, qui est valable pour la grande majorité des surfaces naturelles. «Jusqu'à présent, les physiciens qui étudient cette question se sont concentrés principalement sur des surfaces très spéciales, telles que celles qui ont des rainures microscopiques régulières», explique Stephan Herminghaus, directeur à l'Institut basé à Göttingen. Ceux-ci peuvent être produits par des procédés lithographiques, entre autres, et sont relativement faciles à décrire en termes mathématiques.
Pression de vapeur et de l’angle de contact sont les facteurs décisifs
"La chose est, ces surfaces idéales ne sont rien comme la grande majorité des surfaces que nous rencontrons dans la vie quotidienne, des murs aux tables», note le physicien. Ces «surfaces de tous les jours» sont caractérisées par la distribution irrégulière des pics et des creux microscopiques qui sont soumis à des fluctuations statistiques en fonction de leur taille et la forme. «En général, les dimensions de ces structures vont de plusieurs nanomètres à quelques micromètres», indique Herminghaus.
Dans leurs calculs, les scientifiques de Göttingen décrivent cette rugosité que la distribution de la hauteur statistique, puisque les pics et les creux se produisent dans les arrangements désordonnés. Les seules conditions sont que la rugosité est peu profonde, et même sur toute la surface. "Cela conduit à des expressions étonnamment simples qui nécessitent pas plus de mathématiques de l'école», explique Herminghaus. Dans son domaine de recherche, qui a régulièrement recours à des simulations informatiques complexes pour résoudre des équations difficiles, ce qui a créé tout un émoi.
Les nouvelles équations montrent que le comportement des liquides dépend tout simplement de deux paramètres: l'angle de contact, ce qui donne l'angle de la surface du liquide sur le substrat, et la pression de vapeur dans l'air ambiant (à savoir l'humidité). "Sur des surfaces lisses, idéalement, la pression de vapeur est pas si important", explique Herminghaus. Là, le liquide n'a pas à adapter à tant de marges et limites, telles que celles créées par des creux et des trous microscopiques. Sur les surfaces rugueuses, cependant, son influence est considérable: il suffit d'une petite augmentation de la pression ou de l'angle peut provoquer un film de transformer soudainement en plusieurs gouttelettes - ou vice versa.
Si la pression d'eau est trop élevée, l'effet lotus est perdu
Dans ces cas, les physiciens parlent d'une transition entre deux phases. Dans la phase humide, le liquide forme un film pratiquement continu sur la surface rugueuse. Presque tous les creux microscopiques sont remplies, et seulement de temps en temps ne un niveau particulièrement élevé de pointe briser la surface. Dans la phase sèche, cependant, une grande partie de la surface restent intactes par le liquide, car il agglutine ensemble en gouttelettes. "Le système sélectionne toujours l'option qui nécessite moins d'énergie en fonction de la pression de vapeur et de l'angle de contact", dit Herminghaus.
En principe, ces nouvelles découvertes permettent maintenant aux scientifiques de calculer quelle est la valeur d'humidité requise pour une surface devant être recouverte d'un film continu de liquide. Afin de rendre ce pronostic, ils ont seulement besoin de connaître les propriétés statistiques de la rugosité de surface. Ces considérations pourraient être d'intérêt pour les opérateurs des postes de transformation, par exemple, où les courts-circuits peuvent se produire si un film se forme en continu sur les isolateurs. "Dès qu'ils sont portés rugueux par les intempéries, les surfaces en céramique utilisés dans les sous-stations remplissent nos conditions», explique Herminghaus. En revanche, les nouveaux résultats ne sont pas encore aptes à prédire l'humidité dans les murs de la cave. Certains matériaux sont tout simplement trop irrégulière, les briques étant un cas d'espèce, avec leurs pores grossiers et structure robuste. La théorie devra être étendue avant de pouvoir être appliqué à de tels matériaux.
Les nouvelles découvertes sont également pertinentes pour l'effet lotus, ce qui rend les liquides de ruissellement des surfaces rugueuses sans coller. La différence ici est qu'un mince film d'air joue le rôle du liquide, tandis que l'eau joue le rôle de l'air. Quand un film d'air remplit les creux sur la surface, des gouttes d'eau ne peuvent pas pénétrer, mais flotter sur une sorte de coussin d'air microscopiques et le ruissellement. Seulement si le film d'air continu est brisé, parce que la pression d'eau est trop grande, le liquide peut pénétrer dans les rainures et mouiller la surface de la feuille.