Des structures de surfaces qui aident à la condensation des gouttes

La condensation de l’eau sur une paroi à partir de vapeur ou de gouttelettes intervient de façon critique dans des applications aussi diverses que la collecte de l’eau de la rosée, le dessalement de l’eau de mer, le conditionnement d’air, les dispositifs de distillation, les tours de refroidissement de centrales thermiques ou nucléaires. Dans tous les cas, on recherche non seulement que les gouttes aient une croissance rapide sur une surface collectrice, mais aussi qu’elles aient une vitesse de drainage élevée. Pour parvenir à cela, des physiciens de Harvard University, Cambridge, MA, USA se sont inspirés de structures utilisées dans la nature par des animaux ou plantes aussi divers qu’un scarabée du désert de Namibie, un cactus ou une plante carnivore.

 

Le scarabée du désert de Namibie (Fig.1.A) récupère l’eau de la brume condensée sur les petites bosses convexes (≈1 mm) de sa carapace. Les aiguilles coniques du cactus (Fig.1.B) constituent une pente asymétrique qui guide par capillarité la goutte vers le corps de la plante. Enfin, le réceptacle de la plante carnivore Nepenthes (Fig.1.C) possède une surface nano-structurée contenant un lubrifiant moléculaire cireux et glissant qui accélère la chute des proies dans l’urne.

Fig.1. A) Bosses convexes millimétriques de la carapace de Stenocara gracilipes. Ce sont sur elles que se condense la vapeur d’eau en gouttes bues par l’insecte. Les flèches vertes en pointillé représentent le flux de la vapeur d’eau. Image © Hans Hillaert CC. B) Les épines du cactus présentent une pente asymétrique qui guide par capillarité les gouttelettes condensées sur leurs pointes. . Image © Stan Shebs CC. C) L’urne de capture de la plante carnivore du genre Nepenthes a une surface de structure nanoscopique imprégnée d’une cire lubrifiante aidant la chute des proies. D) En s’inspirant des trois dispositifs A, B, et C, J. Aizenberg et al. ont eu l’dée de réaliser une surface munie de bosses avec une pente asymétrique et une nanostructure de surface imprégnée d’une cire lubrifiante. La flèche rouge représente en B¸C et D la direction de transport de la goutte. Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956 Condensation on slippery asymmetric bumps Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

Fig.1.
A) Bosses convexes millimétriques de la carapace de
Stenocara gracilipes. Ce sont sur elles que se condense la vapeur d’eau
en gouttes bues par l’insecte. Les flèches vertes en pointillé représentent le flux de la vapeur d’eau. Image © Hans Hillaert CC.
B) Les épines du cactus présentent une pente asymétrique qui guide par capillarité les gouttelettes condensées sur leurs pointes. . Image © Stan Shebs CC.
C) L’urne de capture de la plante carnivore du genre Nepenthes a une surface de structure nanoscopique imprégnée d’une cire lubrifiante aidant la chute des proies.
D) En s’inspirant des trois dispositifs A, B, et C,  J. Aizenberg et al. ont eu l’dée de réaliser une surface munie de bosses avec une pente asymétrique et une nanostructure de surface imprégnée d’une cire lubrifiante.
La flèche rouge représente en B¸C et D la direction de transport de la goutte.
Adapté avec la permission de MacMillan Publishers  Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956 Condensation on slippery asymmetric bumps,  Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

La condensation sur des bosses convexes millimétriques

Pour vérifier leur hypothèse que les gouttes d’eau se condensent plus vite sur des bosses convexes de l’ordre du millimètre, les chercheurs ont mesuré le diamètre de la plus large gouttelette croissant sur une bosse sphérique comme celle de la figure 2. Au voisinage de la surface, la diffusion de la vapeur d’eau domine la formation des gouttes. On voit bien sur la figure 2 que le diamètre de la plus grande goutte au sommet d’une bosse est plus important que celui des gouttes les plus grandes sur la partie plate de la même surface.

Fig.2. Bosses convexes et croissance des gouttelettes a) Image d’une surface plane munie d’une série de bosse sphériques d’une taille de l’ordre du millimètre. Les bosses sont placées selon un réseau hexagonal. b) Images de la croissance au cours du temps de gouttelettes, en haut, sur la pointe des bosses, en bas sur la partie plate de la surface. Les cercles jaunes indiquent la goutte la plus grosse sur chaque image. A chaque instant la goutte la plus large sur la pointe de la bosse est plus grande que son homologue sur la surface plate voisine. Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956 Condensation on slippery asymmetric bumps Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

Fig.2. Bosses convexes et croissance des gouttelettes
a) Image d’une surface plane munie d’une série de bosse sphériques d’une taille de l’ordre du millimètre.
Les bosses sont placées selon un réseau hexagonal.
b) Images de la croissance au cours du temps de gouttelettes, en haut, sur la pointe des bosses, en bas sur la partie plate de la surface. Les cercles jaunes indiquent la goutte la plus grosse sur chaque image. A chaque instant la goutte la plus large au sommet de la bosse est plus grande que son homologue sur la surface plate voisine.
Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956  Condensation on slippery asymmetric bumps,  Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

On obtient le même effet  de condensation avec des bosses rectangulaires de même hauteur. Des simulations numériques ont confirmé ces résultats expérimentaux.

 

Le drainage des gouttes

Comme il est préférable pour le drainage que les gouttes partent toutes dans la même direction, on a ajouté à la bosse une pente graduelle descendante pour donner à la goutte un mouvement vers le bas jusqu’à la surface plate. La forme adoptée est celle d’une pointe rectangulaire munie d’une région plate au sommet suivie d’une pente graduelle entre bords arrondis. Elle est schématisée sur la Fig.1.D et  on peut en  voir l’aspect réel sur les photos de la Fig.3. ci-dessous. Les bosses asymétriques avec une pente descendante tangentant la surface plate qui les environne (Fig.3.) sont recouvertes d’un revêtement cireux nanoscopique inspiré de celui observé dans l’urne des Nepenthes.

Fig. 3. Croissance et drainage rapide. Vues de la croissance et du drainage vers le bas d’une goutte sur une bosse assymétrique d’une surface verticale. La durée du processus n’est que de 9/100e de seconde. Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956 Condensation on slippery asymmetric bumps, Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

Fig. 3. Croissance et drainage rapide.
Vues de la croissance et du drainage vers le bas d’une goutte sur une bosse assymétrique d’une surface verticale. La durée du processus n’est que de 9/100e de seconde.
Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956   Condensation on slippery asymmetric bumps, Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

Pour ces surfaces à bosses asymétriques le volume d’eau drainé est nettement plus élevé, environ 10 fois plus, que pour la même surface plate.

Une simulation numérique suggère que, dans le cas de frottements négligeables, la force de capillarité due à la tension superficielle  l’emporte sur la force de gravité si la goutte est de diamètre assez faible, ce qui est ici le cas. Sur de telles structures, les gouttelettes peuvent même remonter contre la gravité, comme le montre la surprenante vidéo suivante :

Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers  Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956   Condensation on slippery asymmetric bumps, Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

 

Sur des surfaces à bosses asymétriques  intégrant les trois mécanismes décrits plus haut, les gouttelettes croissent rapidement et sont drainées beaucoup plus tôt que sur des surfaces planes ayant le même revêtement lubrifiant. On peut voir ceci sur la vidéo suivante :

Reproduit avec la permission de MacMillan Publishers Nature,(2016), doi:10.1038/nature16956   Condensation on slippery asymmetric bumps, Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

 

Les surfaces à bosses asymétriques permettent de faire rapidement croître des gouttes, de les drainer même contre la gravité et de contrecarrer l’effet d’éventuelles variations de température le long de la surface. La grande vitesse de croissance de gouttelettes et leur drainage soutenu et constant sont d’une grande importance dans le cas de la récupération d’eau en pays aride. Car les gouttes formées s’évaporeraient si elles n’étaient pas drainées assez vite. Ce dispositif présente aussi un grand intérêt pour de nombreuses applications dans les systèmes de transfert de chaleur qui demandent des régimes stables de fonctionnement. Au premier rang desquels on peut citer les systèmes de refroidissements des centrales thermiques ou nucléaires, mais aussi les installations de distillation, de désalinisation et de chauffage.

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Condensation on slippery asymmetric bumps

Kyoo-Chul Park, Philseok Kim, Alison Grinthal, Neil He, David Fox, James C. Weaver & Joanna Aizenberg.

Nature 531,78–82doi:10.1038/nature16956

 

 

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