A) La goutte d’eau
La goutte d’eau n’a ni la forme
d’une larme, ni la forme d’un trait vertical.
Les
gouttes d’eau ont une taille universelle, elles ne dépassent
jamais 6mm de diamètre, si elles étaient plus grosses, elles
exploseraient d’un coup. Cette limite est due à de nombreux
phénomènes physiques.
Thomas Young
Ce
phénomène a été découvert très tôt, il y a déjà 200 ans,
notamment par le français Pierre Laplace, l’anglais Thomas Young
et l’Allemand Goethe.
B) Observation de la superhydrophobie
Un gerris
Une feuille de lotus
Une feuille de capucine
Une plume superhydrophobe
. Les gouttes d’eau ne pénètrent pas dans la feuille de lotus et ne
s’étalent pas sur la surface contrairement à d’autres
matériaux.
. La goutte dévale les
pentes souvent 100 à 1000 fois plus rapidement que sur le plastique par exemple.
La goutte d'eau: de la forme de la roue liquide vers la cacahuère
. Henri Poincaré: premier scientifique à
étudier la forme d’une goutte d’eau en rotation. Il explique que
la roue et la cacahuètesont des formes naturelles déformables, soumises à un
champ de force centrifuge.
. La feuille de Lotus a des propriétés surprenantes, elle peut réfléchir un jet d’eau, rebondir une goutte d’eau après un impact sur sa surface.
C) Explication de ce phénomène. La feuille de Lotus a des propriétés surprenantes, elle peut réfléchir un jet d’eau, rebondir une goutte d’eau après un impact sur sa surface.
Le rebondissement d'une goutte d'eau sur une surface superhydrophobe
La réfléxion d'un jet d'au sur une feuille de ginkgo biloba
La superhydrophobie est dû a tension superficielle les liquides ont tendance à présenter une surface sphérique.
La forme d’une goutte d’eau se forme suivant la surface de contact,elle varie en fonction de la tension superficielle du solide. On remarque que la goutte d'eau est presque ronde sur une surface superhydrophobe.
La forme d’une goutte d’eau se forme suivant la surface de contact,elle varie en fonction de la tension superficielle du solide. On remarque que la goutte d'eau est presque ronde sur une surface superhydrophobe.
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| Superhydrophobie Hydrophobie Hydrophilie 180°-120° 120°-90° 90°-0° |
Les liaisons hydrogènes aussi appelé "pont hydrogène", explique l'adhérence d'une goutte d'eau sur les surfaces.
La superhydrophobie s’explique aussi par le phénomène de capillarité découvert par Pierre Simon de Laplace et Thomas Young. Ce phénomène explique les phénomènes d’étalement de liquides posés sur des surfaces solides ou liquides.
Il
y a deux sortes de mouillabilités, la mouillabilité totale dans
lequel la goutte s’étale complètement et la mouillabilité
partielle lorsque la goutte a plutôt la forme d’une perle.
Le cosinus de l'angle de la goutte d'eau dépend de la
tension superficielle du solide, de la vapeur et du liquide, et il est compris
entre -1 et 1. Pour que l'angle de la goutte d'eau soit compris entre 0° et
90°, il faut que le cosinus de x appartiennent à [0 rad; π/2 rad].
Mais pour que l'angle de la goutte soit compris entre 90° et 180° il faut que
le cosinus de x appartienne à [π/2 rad ; π rad].
Si la goutte est superhydrophobe alors elle à un angle de
120°-180°, ce qui signifie qu'elle à un cosinus compris entre 2π/3 rad
et π rad.
Au niveau de la surface le
Lotus a la particularité d’avoir une surface très rugueuse, composé de milliers de "pilliers" recouverts de nanocristaux de cires qui permettent à la
goutte d’eau de ne pas adhérer aux piliers. La goutte ne s’étalant
pas sur la feuille et n’adhérant pas aux piliers, elle peut rouler
sur la feuille sans la mouiller.
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| Rugosité de la surface |
D) Deux modèles de la superhydrophobie
Pour expliquer ce phénomène deux théories ont été proposées :
Pour expliquer ce phénomène deux théories ont été proposées :
-Les
gouttes empalées proposées par Wenzel en 1936
. 1964: Johnson et Dettre ont mesuré l'angle de contact d'une goutte
d'eau posé sur un substrat hydrophobe rugueux. Ils observent que
suivant la rugosité du substrat les gouttes d'eau ont des
comportements très différents.
. Cette expérience nous montre qu'ils existe deux états de superhydrophobie possible, tous dépend de la rugosité de la surface. Si la surface est peu rugueuse le modèle de Wenzel s’appliquera, à l’inverse si la surface est très rugueuse ce sera le modèle de Cassie-Baxter.
