Pourquoi l'eau perle sur le téflon et s'étale sur le verre : les scientifiques découvrent la cause moléculaire

Des chercheurs de l'Institut des sciences industrielles de l'Université de Tokyo ont résolu une énigme décennale concernant le comportement des gouttes d'eau sur différentes surfaces. Une nouvelle étude publiée dans la revue Nature Physics explique le mouvement de l'eau à l'échelle nanométrique au niveau moléculaire. Cette découverte clarifie fondamentalement pourquoi l'eau prend une forme sphérique sur des surfaces hydrophobes comme le téflon, alors qu'elle s'étale en une fine couche sur des surfaces hydrophiles comme le verre. C'est ce qu'informe Ixbt.com dans son article.

Habituellement, l'interaction entre un liquide et une surface est expliquée par les lois de la physique classique. Cependant, lorsqu'il s'agit de gouttelettes extrêmement petites de l'ordre du nanomètre, les théories traditionnelles ne donnent pas toujours les résultats attendus. Les physiciens ne comprenaient pas depuis longtemps pourquoi la force de tension linéaire — une force significative uniquement à l'échelle nanométrique — changeait de signe (direction) lors du processus de mouillage complet d'une surface.

Le rôle des liaisons hydrogène

Le groupe dirigé par l'auteur principal de l'étude, Mohd Moid, a effectué des simulations informatiques en utilisant la méthode de la dynamique moléculaire. Il s'avère que dans l'eau liquide, les liaisons hydrogène forment une structure tétraédrique locale. Chaque molécule d'eau se lie temporairement à quatre voisins. Les scientifiques ont observé comment la modification de cette structure influence l'étalement de l'eau sur la surface.

Selon les résultats de l'étude, lorsque la surface est complètement mouillée, cette structure tétraédrique à la frontière de la goutte est rompue. C'est précisément cet état qui provoque le changement de signe de la tension linéaire. En d'autres termes, l'ordre interne entre les molécules d'eau s'est révélé être le facteur principal déterminant la rapidité et l'étendue de l'étalement sur la surface.

Un facteur plus important que la composition chimique

Fait intéressant, les chercheurs ont également mené des expériences sur une couche de glace bicouche sur une surface hydrophile. Il s'est avéré que même si les propriétés chimiques de la surface tendent à attirer l'eau, une telle couche de glace ne s'étale pas. Cela signifie que la structure structurelle locale de l'eau peut avoir une influence plus forte que la composition chimique du matériau.

Cette découverte n'a pas qu'une importance théorique. La compréhension de cet équilibre délicat entre le liquide et la surface solide devrait révolutionner plusieurs domaines pratiques. En particulier, ces données seront largement utilisées dans les systèmes de refroidissement des dispositifs de microélectronique, le mouvement des fluides dans les systèmes biologiques et la création d'une nouvelle génération de matériaux imperméables.

La publication Nature Physics note que la structure de la couche interne du liquide a été reconnue comme l'un des facteurs les plus importants déterminant le degré de mouillage. Désormais, les ingénieurs et les scientifiques pourront prendre en compte non seulement le revêtement chimique des surfaces lors de leur conception, mais aussi la disposition géométrique des molécules d'eau lorsqu'elles entrent en contact avec cette surface.