12. L’eau en gouttes
p. 70-71
Texte intégral
1L’eau et les liquides en général sont des figures de l’informe. Une vaste étendue, comme un lac ou un océan, est plate, conséquence de l’action de la pesanteur. Toutefois, à l’échelle des gouttes, l’eau s’arrondit et, comme Pline dans son Histoire naturelle (Ier siècle), chacun peut s’étonner de sa capacité à adopter « une sphéricité parfaite » quand elle est posée « sur de la poussière ou sur le duvet des feuilles ». En réalité, les gouttes sont ainsi façonnées grâce à une force appelée « tension superficielle », qui tend à minimiser leur surface pour maximiser le nombre de liaisons entre molécules dans le liquide.
Forme et mobilité d’une goutte
2Ces principes permettent de comprendre bien des phénomènes qui nous entourent. Les gouttelettes dans les nuages et celles, millimétriques, qui font la pluie sont également sphériques. Sur un plastique ou un verre, elles ne forment plus que des lentilles, en raison de l’interaction du liquide avec son support et elles s’aplatissent aux échelles centimétriques, pour lesquelles la force de pesanteur redevient dominante. Petites, les gouttes posées ont deux propriétés remarquables : elles sont capables de s’accrocher à leur support, même quand il est en pente (comme sur les pare-brise ou sur les vitres), ce qui manifeste à nouveau la prééminence des forces superficielles sur la pesanteur à petite échelle ; et si elles dévalent leur support, elles le font en général à une vitesse étonnamment modeste, pour un liquide aussi peu visqueux que l’eau. Alors qu’une rivière, sur un lit faiblement en pente, coule à une vitesse de l’ordre du mètre par seconde, des gouttes zigzaguant sur une vitre descendent cent fois moins vite. C’est l’existence d’une ligne de contact autour de la goutte qui explique ces deux propriétés : cette ligne peut s’accrocher sur les défauts du support et donc engendrer de l’adhésion. Quand elle bouge, une force anormalement élevée de résistance visqueuse se crée dans son voisinage, car le liquide avance là dans une zone ultra-mince.

Fig. 1 – Des gouttes d'eau millimétriques sur du verre ou du plastique y forment des lentilles. Même si leur support est vertical, les gouttes restent collées, s'accrochant aux défauts du solide, comme en témoignent leurs contours irréguliers. © I. Jiménez
3Il est rare que cette adhésion et cette friction spéciale de l’eau soient un avantage. Des gouttes collées sur du verre l’opacifient ou distordent la vision et, sur un métal ou un béton, elles participent à leur vieillissement prématuré. Il est de ce point de vue fructueux de revenir aux observations de Pline qui évoquent la possibilité de maintenir l’eau en boule sur son support, pour peu que ce support soit texturé. Plus de deux cents plantes et de très nombreux insectes ont développé des microstructures à leur surface pour mieux repousser ou contrôler l’eau. Inspirée de ces exemples, la recherche sur les matériaux superhydrophobes * artificiels a fait ces dernières années l’objet d’un effort tous azimuts. Si les textures sont hydrophobes, une goutte d’eau s’arrête sur leurs sommets et reste ainsi posée sur un peu de solide et beaucoup d’air, retrouvant la rondeur parfaite qu’elle a dans l’air. Sa mobilité s’accroît alors de façon spectaculaire : la moindre pente la fait fuir et ce, à une vitesse conforme à sa fluidité extrême. À l’échelle d’une feuille hydrophobe * en pente, l’eau ne cesse d’accélérer, à l’instar des boules de bois que Galilée faisait dévaler sur des plans inclinés.
Manipulation et séchage des gouttes
4Contrôler la forme des gouttes est un enjeu plus général en ingénierie des surfaces ou en physicochimie. En microfluidique (science des écoulements dans des microcanaux à des fins biomédicales ou de chimie fine), contrôler la forme des liquides, c’est savoir les accélérer, les ralentir, les piéger, les mélanger ou les fragmenter (cf. II.11). Les situations d’impact sont tout aussi caractéristiques de ces questions : il s’agit, par exemple, de comprendre quelle taille occupera après séchage une goutte envoyée sur un support par un procédé à jet d’encre. L’enjeu est de pouvoir calibrer cette taille (qui définit la résolution de l’imprimante), tout en évitant la formation d’éclaboussures qui brouilleraient l’impression. C’est la forme du liquide au moment de l’impact qui décide de ces évolutions, avec une extrême variabilité selon les matériaux en jeu, la vitesse à l’impact ou la nature des liquides. Un impact rapide engendrera des filaments ou des nappes liquides (souvent favorisés par l’air ambiant), tandis qu’un matériau hydrophobe peut renvoyer le liquide comme s’il était un petit ballon solide. Mais en 2015, un problème aussi simple en apparence et aussi important en pratique que l’étalement des gouttes à l’impact n’est encore que partiellement résolu.

Fig. 2 – Une goutte d'eau millimétrique sur un support couvert de microplots hydrophobes reste quasi-sphérique. Les plots étant ici réguliers, ils décomposent la lumière et rendent le support irisé. © M. Reyssat
5Quant aux questions de séchage, elles ne sont pas moins dynamiques. Presque toujours, une goutte d’eau qui sèche contient des particules solides en suspension, amenées avec elle (la goutte de café) ou présentes sur le support (du verre sale). Or, après évaporation, ces particules se retrouvent organisées sous la forme d’un anneau, à la place de la ligne de contact. Cette zone singulière est responsable de l’effet : l’eau, à cet endroit, s’évapore plus vite qu’au centre de la goutte, si bien qu’un courant s’installe du centre vers la périphérie au fur et à mesure que l’évaporation se produit. Ce courant transporte les particules qui s’accumulent sur la ligne où elles retiennent de mieux en mieux le liquide, ce qui conduit à l’effet d’agglomération qui nous est familier, dans les traces de saleté sur les vitres après la pluie ou sur le contour d’une aquarelle.
6Les gouttes d’eau, au-delà du charme qu’elles exercent (les écrits qui leur sont consacrés sont innombrables, de Proust à Nabokov en passant par Conrad ou Ponge), engendrent donc une science qui leur est propre. Cette hydrodynamique interfaciale se fonde principalement sur des questions de forme et de géométrie, et du jeu qui se met en place entre un volume, des surfaces et une ligne, quelque part entre une, deux et trois dimensions.
Bibliographie
Référence bibliographique
• P.-G. DE GENNES, F. BROCHARD-WYART et D. QUÉRÉ – Gouttes, bulles, perles et ondes, Belin, 2005.
Auteur
Physicien, Directeur de recherche au CNRS, Professeur à l’École Polytechnique, PMMH, ESPCI, Paris, p. 70.
david.quere@espci.fr
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