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Posté par Redbran le Jeudi 17/05/2018 à 12:00
Déformer un solide peut modifier sa mouillabilité… ou pas !
Automne 2015, Leiden, Pays-Bas. Une conférence internationale voit naître une vive controverse. Les résultats d’une expérience pionnière sur les élastomères, cette matière molle à la frontière entre liquides et solides, surprennent. Soumis à déformation, ces matériaux verraient leurs propriétés de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) varier. Trois ans plus tard, une étude franco-canadienne pourrait bien mettre fin à la polémique en montrant que les élastomères ne voient pas leur tension (La tension est une force d'extension.) de surface se modifier quand ils sont soumis à une déformation, contrairement aux solides cristallins et aux verres, et contrairement à ce que prévoyait la première étude. Ce travail, fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par...) d’une collaboration internationale entre chercheurs du département de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) et d’Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer leur origine, leur évolution, leurs propriétés physiques et chimiques. Elle ne doit pas être...) de l’Université de McMaster (Canada), du laboratoire Gulliver (CNRS/ESPCI Paris), et du laboratoire Ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) et Matière d’Aquitaine (CNRS/Université de Bordeaux) est paru dans Nature Communications.



La bulle de savon (Qui ne s'est pas un jour ou l'autre émerveillé à la vue des bulles de savon ? Ces petites boules volantes ou composant les mousses des écumes recèlent beaucoup de sujets d'étude pour les physiciens.), la goutte de rosée… Ces formes particulières, arrondies, sont les parfaites illustrations des phénomènes qui se produisent à l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de...) entre un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) et l'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec...). À la frontière entre les deux milieux, les molécules se retrouvent un peu isolées de leurs semblables, ce qui engendre alors une « tension de surface » qui tend à réduire les surfaces, et donc à créer des formes sphériques.

Ces phénomènes d’interface sont également observés entre un solide et un liquide. Une goutte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) déposée à la surface d’un solide, par exemple, s'étale plus ou moins selon la « mouillabilité » du matériau. Les ingénieurs cherchent par exemple à développer des parebrises et des ailes d’avion (Un avion, selon la définition officielle de l'Organisation de l'aviation civile internationale (OACI), est un aéronef plus lourd que l'air, entraîné par un organe moteur (dans le...) sur lesquels l’eau aura tendance à ne pas s’étaler pour mieux être évacuée, alors qu’une peinture optimale aura tendance au contraire à bien s’étaler sur un mur (Un mur est une structure solide qui sépare ou délimite deux espaces.). Cette mouillabilité peut être quantifiée par la mesure de « l’angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) de raccordement » ou angle de contact (voir figure). Plus l’angle est petit, plus on dit que le liquide "mouille bien" le solide.

Dès les années 50, des études mettent en évidence qu’un solide cristallin soumis à des test d’étirement voit ses atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) s’écarter et… sa tension de surface (et donc sa mouillabilité) se modifier ! C’est l’effet Shuttleworth – spécifique aux solides. En 2012, des chercheurs ont créé une controverse en affirmant avoir observé ce même effet, mais pour une autre classe de matériaux, mous, dits « élastomériques », comme le caoutchouc.

La nouvelle série d’expériences menées par l’équipe franco-canadienne semble contredire ces résultats. Après avoir déposé des microgouttes sur des films solides amorphes et mesuré leur angle de contact en fonction du taux d’étirement des films, pour de nombreux couples de matériaux, les chercheurs ont démontré que, effectivement, un solide amorphe compressible comme le verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus...) présente bien un effet Shuttleworth. Mais cet effet n’a en revanche été observé chez aucun des élastomères testés qui, incompressibles, présentent des propriétés microscopiques très proches de celles d’un liquide.

Au-delà de l’avancée des connaissances fondamentales, cette étude ouvre la voie à de nombreuses applications, en laissant imaginer que les propriétés de mouillage d’un matériau plastique pourraient être contrôlées par simple étirement ! Des textiles intelligents ou des filets à brouillard (Le brouillard est le phénomène météorologique constitué d’un amas de fines gouttelettes ou de fins cristaux de glace, accompagné de fines particules hygroscopiques saturées d'eau,...) pourraient être développés, pour capter ou libérer l’eau suivant leur déformation. Cette propriété des solides amorphes pourrait également être à l’origine de nouveaux traitements de surface…

Références publication:
Rafael D. Schulman, Miguel Trejo, Thomas Salez, Elie Raphaël & Kari Dalnoki-Veress
Surface energy of strained amorphous solids
Nature communications - 2018
DOI:10.1038/s41467-018-03346-1

Contacts chercheurs:
- Thomas Salez, lauréat de la médaille de bronze (Le bronze est le nom générique des alliages de cuivre et d'étain. Le terme airain désigne aussi le bronze, mais est plutôt employé en poésie...) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) 2018, LOMA UMR5798, Université de Bordeaux
- Elie Raphael, Laboratoire Gulliver UMR7083, ESPCI Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents...)

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Source: CNRS-INC