Surprenants mouvements de gouttelettes d'eau dans un champ électrique

C'est habituellement une bonne idée que de maintenir un appareillage électrique à l'abri de l'eau mais des chercheurs japonais ont découvert un nouveau phénomène en ne suivant pas cette règle. Masahide Gunji et Masao Washizu de l'Université de Tokyo ont prouvé que des champs électriques peuvent être employés pour déplacer des gouttelettes d'eau sur une surface solide. Leur travail pourrait permettre de réaliser des expériences de chimie beaucoup plus rapidement qu'il n'est actuellement possible.


L'équipe japonaise a fabriqué tout d'abord un dispositif constitué de deux électrodes sur un substrat de verre qui avait été couvert d'une couche hydrophobe mince et électriquement isolante. Une gouttelette de l'eau est ensuite déposée sur la surface (figure 1). Les gouttelettes des expériences, d'un volume compris entre environ 1 nanolitre et 1 microlitre, adoptent une forme presque sphérique due à une combinaison des effets de tension superficielle et de mouillure.


Les gouttelettes se déplacent jusqu'à des vitesses atteignant 10 centimètres par seconde lorsqu'une tension est appliquée sur les électrodes (figure 2). La direction initiale du mouvement est imprévisible et les gouttelettes continuent de se déplacer jusqu'à ce qu'elles atteignent le bord du dispositif où la tension est nulle. De plus, lorsque la forme des électrodes est transformée pour adopter celle d'un circuit en boucle, les gouttelettes circulent tout autour de la piste (figure 3).


Ce mouvement est très surprenant car les électrodes utilisées dans l'expérience créent un champ électrique uniforme sur toute leur longueur, aussi il n'y a là aucun gradient d'énergie pour déplacer les gouttelettes. Selon Gunji et Washizu, c'est un mouvement "d'auto-propulsion" (figure 4). "Les gouttelettes laissent derrière elles une couche humide sur le substrat, qui crée un écran électrique à l'arrière", indique Washizu. "Ceci provoque un déséquilibre dans la force électrostatique exercée sur les gouttelettes, qui, alternativement, fournit la force d'entraînement nécessaire à leur mouvement".


Il pourrait être possible d'exploiter ce nouvel effet pour automatiser des expériences de chimie. "Beaucoup d'expériences de chimie sont de grandes consommatrices de main-d'oeuvre et sont exécutées en mélangeant des produits chimiques dans des tubes à essai", explique Washizu. "Si de petites gouttelettes liquides pouvaient être transportées à travers un substrat alors les réactions chimiques pourraient être, en principe, provoquées pour de petits volumes en ne mettant en contact que quelques gouttelettes et en mélangeant leur contenu".