L’adhésion de la glace sur une surface dépend de la nature de celle-ci

On rencontre de nombreuses formes de cristaux de glace dans la nature. La compréhension du mécanisme de leur formation intéresse les sciences de l’atmosphère, l’astrophysique, les sciences spatiales et même l’agroalimentaire. Alors que les cristaux de glace des flocons de neige ont des structures caractérisées par une symétrie d’ordre 6, la glace qui croît sur une surface solide comme une vitre a un nombre presque infini de structures. On n’avait pas remarqué jusqu’ici de relation entre  ceci et la capacité de mouillage de la surface concernée. Des scientifiques de plusieurs universités de Pékin, Chine, et de l’University of Nebraska-Lincoln, Lincoln, USA ont montré que la glace se formait un peu en dehors de la surface ou collée à celle-ci selon que, respectivement, la propriété de mouillage de celle-ci est faible ou élevée. L’adhésion des cristaux de glace au support en dépend.

Quand on dépose une goutte de liquide sur une surface solide plane horizontale (figure ci-dessous), l’angle de contact α entre la tangente à la goutte est faible si le liquide se répand sur la surface. Plus précisément, α<90° (I) indique que le mouillage de la surface (dite hydrophile) est favorisé et que le liquide s’est répandu sur une grande aire. Le mouillage total correspond à α = 0, un film de liquide recouvre toute la surface. α>90°(III) indique un mouillage faible de la surface où le liquide minimise son contact avec la surface (dite hydrophobe) et forme une goutte compacte. Des surfaces dites super-hydrophobes  entraînent pour α> 150° un contact très réduit entre la goutte et la surface.

 

 

La croissance de la glace sur des surfaces de mouillabilité variable

Les surfaces de mouillabilité variable sont obtenues en déposant sur des lames planes de divers matériaux un dépôt hydrophobe de fluoroalkylsilane avec  des teneurs variées en fluorine(CaF2). Ceci permet d’avoir une gamme de supports allant d’un état hydrophobe à un état de mouillage partiel hydrophile.

Pour faire croître les cristaux de glace de façon régulière, on dépose sur les surfaces des nanoparticules d’iodure d’argent (AgI) qui constituent autant de germes de croissance. Les lames sont posées sur une platine de microscope thermo-régulée et réfrigérée à -15 °C placée dans une enceinte à humidité ajustable. La croissance des cristaux de glace est enregistrée par une caméra ultra-rapide, ce qui permet de déterminer le mode de croissance de la glace.

 

Les chercheurs ont trouvé expérimentalement avec cette méthode que la glace croissait sur une surface hydrophobe (angle de contact α = 107,3 °) sous la forme d’un trèfle à six feuilles qui s’écarte un peu de la surface, c’est le mode de croissance hors surface (CHS) (Fig.1.A). Une image vue de côté sur la même surface hydrophobe montre qu’il existe un écart visible entre le substrat et la partie qui croît (Fig.1.C).

 

Au contraire, sur une surface hydrophile (angle de contact α = 14,5°) la croissance d’un cristal de glace en forme de fleur de tournesol montre que ces cristaux ont un mode de croissance  de la glace collée à la surface (CCS) (Fig.1.D) comme le montre l’image latérale sur la même surface hydrophile (Fig.1.E).

Fig.1. Croissance de cristaux de glace sur une surface hydrophobe et une surface hydrophile. A)Schéma illustran tla méthode expérimentale de croissance de glace sur une surface solide en introduisant des sites de nucléation(AgI). B) Photos successives prises avec un microscope optique couplé à une caméra rapide. Ces images montrent la croissance d’un cristal ressemblant à un trèfle à six feuilles sur une surface hydrophobe ( = 107,3°). En bas à gauche, on voit une photo latérale de goutte d’eau déposée sur la surface qui permet de mesurer l’angle de contact. C) Image prise de côté montrant sur la même surface hydrophobe la morphologie du cristal de glace en mode de croissance hors de la surface (CHS). D) Photos successives de la croissance d’un cristal sur une surface hydrophile ( = 14,5°). On note la forme rappelant la fleur de tournesol. En bas à gauche, photo latérale d’une goutte d’eau pour mesure de l’angle de contact. E) Photo prise de côté de la morphologie du cristal ayant cru le long de la surface (mode CLS) sur la surface hydrophile précédente. Tiré de Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities Jie Liu, Chongqin Zhu, Kai Liu, Ying Jiang, Yanlin Song, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng and Jianjun Wang Proceedings of National Academy of Science, 9 October,2017. C.C.

Fig.1. Croissance de cristaux de glace sur une surface hydrophobe et une surface hydrophile.
A) Schéma illustrant la méthode expérimentale de croissance de glace sur une surface solide par dépôt de sites de nucléation (AgI).
B) Photos successives prises avec un microscope optique couplé à une caméra rapide. Ces images montrent la croissance d’un cristal ressemblant à un trèfle à six feuilles sur une surface hydrophobe  α= 107,3°). En bas à gauche, on voit une photo latérale de goutte d’eau déposée sur la surface qui permet de mesurer l’angle de contact.
C) Image prise de côté montrant sur la même surface hydrophobe
la morphologie du cristal de glace en mode de croissance hors de la surface (CHS).
D) Photos successives de la croissance d’un cristal collé sur une surface hydrophile (α = 14,5°). On note la forme rappelant la fleur de tournesol. En bas à gauche, photo latérale d’une goutte d’eau pour mesure de l’angle de contact.
E) Photo prise de côté de la morphologie du cristal ayant cru collé à la surface (mode CCS) sur la surface hydrophile précédente.
Tiré de Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities
Jie Liu, Chongqin Zhu, Kai Liu, Ying Jiang, Yanlin Song, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng and Jianjun Wang
Proceedings of National Academy of Science, 9 October,2017. C.C.

 

Les deux vidéos suivantes correspondent respectivement à la Fig.1.B (mode CHS) pour la première, à la Fig.1.D (mode CCS) pour la seconde.

Tiré de Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities

Jie Liu, Chongqin Zhu, Kai Liu, Ying Jiang, Yanlin Song, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng and Jianjun Wang

Proceedings of National  Academy of Science, 9 October,2017. C.C.

 

La résistance de la glace à l’enlèvement selon la surface.

 

Les chercheurs ont préparé une surface hybride dont la moitié supérieure était hydrophobe (α= 2,9°) et l’autre moitié hydrophile ((α = 107,3°). Cette surface refroidie à -20°C est exposée à de l’air humide pour faire croître les cristaux de glace. Un jet d’air est ensuite appliqué sur la plaque.

On voit sur la vidéo suivante que ce jet enlève les cristaux de glace de la moitié supérieure hydrophobe de la plaque.

Tiré de Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities

Jie Liu, Chongqin Zhu, Kai Liu, Ying Jiang, Yanlin Song, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng and Jianjun Wang

Proceedings of National  Academy of Science, 9 October,2017. C.C.

 

 

La découverte de différents modes de croissance de la glace sur des surfaces solides suggère qu’on pourrait, en traitant de façon à la rendre hydrophobe la surface des pare-brise des automobiles, obtenir que la glace n’y colle plus et soit facilement supprimée. Une autre application serait de faciliter le dégivrage des ailes d’avion.

 

 

 

 

 

 

Pour en savoir plus :

Distinct ice patterns on solid surfaces with various wettabilities

Jie Liu, Chongqin Zhu, Kai Liu, Ying Jiang, Yanlin Song, Joseph S. Francisco, Xiao Cheng Zeng and Jianjun Wang

Proceedings of National  Academy of Science, October,2017.

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