Nous étudions également l’impact d’une goutte d’eau distillée (densité ρ = 1000 kg/m3, tension de surface γ = 72 mN/m) sur un substrat dont nous pouvons contrôler le mouve- ment. Nous présentons ici un aperçu qualitatif des phénomènes observés dans l’optique de montrer comment la compréhension acquise par l’étude des gouttes frappées se transfère à l’étude du rebond. L’enjeu de ce projet est d’être capable de déclencher le mouvement à un moment choisi au cours de l’impact. Pour ce faire, le contact de la goutte avec le substrat est détecté à l’aide d’un capteur de force basé sur la technologie MEMS [103] dont le signal est utilisé comme déclencheur (figure 5.11). Un mouvement impulsionnel est transmis au substrat par l’intermédiaire d’un pot vibrant contrôlé par un amplificateur de courant et un générateur de signaux. Nous réalisons des impacts sur deux types de matériaux super- hydrophobes. Dans un premier temps, nous utilisons des substrats rendus non-mouillants par application de Glaco (Soft 99) puis dans un second temps des matériaux présentant un double niveau de texturation. Le premier niveau est constitué d’un réseau carré de piliers ou de pyramides micrométriques. Le second niveau est ajouté à postériori par un traitement au Glaco (Soft 99) qui crée une rugosité nanométrique. Ces deux matériaux
5.2. IMPACT SUR UNE SURFACE ACTIVABLE
V
R
Z
Capteur de force MEMS
Déclenchement
pot vibrant
Figure 5.11 : Schéma de principe de l’impact sur un substrat activable. Nous faisons tomber une goutte d’eau (Rayon R, Vitesse V ) sur une surface non-mouillante. Le contact est détecté par un capteur de force de type MEMS implanté sur la surface qui déclenche le mouvement du substrat contrôlé par un pot vibrant.
possèdent les angles de contact élevés caractéristiques de la superhydrophobie ; les maté- riaux à double texture se distinguent par une adhésion réduite. La vitesse d’impact V est variée entre 0.3 et 2 m/s en ajustant la hauteur des aiguilles calibrées à partir desquelles sont produites des gouttes de rayon R varié entre 0.6 à 1.4 mm. Nous enregistrons des vues de côté de chaque impact avec une caméra rapide fonctionnant à 10000 im/s. Ces vues de côté nous permettent de déterminer mouvement vertical de la plaque, z(t). Nous générons des mouvements d’amplitude millimétrique et de temps caractéristique de l’ordre de quelques millisecondes.
La figure 5.12a présente une séquence d’images de l’impact d’une goutte (R = 1.15 mm, V = 1.0 m/s) sur un substrat à un niveau de rugosité auquel nous imposons un mou- vement d’amplitude maximale ∼ 1 mm atteinte après ∼ 3 ms dès que le liquide entre en contact avec la surface. La goutte s’étale et prend une forme aplatie. Ensuite la périphérie du liquide décolle pendant que le centre reste lié au substrat, ce qui entraîne la forma- tion d’une cavité conique dont la forme rappelle les gouttes frappées. Le liquide quitte totalement le substrat après 5.4 ms, un temps de rebond réduit de moitié par rapport à celui mesuré sur le même substrat immobile. L’impact d’une goutte de même rayon sur un substrat présentant un double niveau de rugosité fait l’objet de la figure 5.12b. Nous imposons une impulsion d’amplitude similaire mais de temps caractéristique légèrement plus faible que précédemment. Le liquide s’étale de façon similaire mais décolle sous une forme aplatie. Le temps de contact est de 2.5 ms, un temps très faible comparé au temps de rebond sur le même substrat immobile τ0 = 11.2 ms.
Les formes adoptées par le liquide au cours du rebond rappellent celles des gouttes frappées. Nous obtenons, ici, une seconde confirmation dur rôle joué par l’adhésion entre le liquide et la surface dans la formation des cavités. A la lumière de l’étude précédente, nous proposons une interprétation des temps de rebond obtenus dont la validation quan- titative est un travail en cours. Si l’on suppose que le mécanisme de décollage inertiel est conservé lors de l’impact, le temps de décollage de la périphérie de la goutte, sur un sub-
a
b
Figure 5.12 : a Vue de côté de l’impact d’une goutte (R = 1.15 mm, V = 1.0 m/s) sur une surface superhydrophobe à laquelle nous imposons un mouvement impulsionnel dès le début du contact. Nous observons la formation de cavités coniques et le décollage du liquide après 5.4 ms un temps réduit de 50% par rapport au temps de contact usuel. b Vue de côté de l’impact d’une goutte (R = 1.15 mm, V = 0.4 m/s) sur une surface superhydrophobe à deux niveaux de rugosité. Nous imposons un mouvement impulsionnel quand le liquide entre en contact avec le substrat. La goutte décolle sous une forme aplatie après 2.5 ms, un temps 80% plus court que le temps de rebond sur la même surface maintenue immobile.
strat au Glaco, ou de la goutte toute entière, sur un substrat à deux niveaux de rugosité, est contrôlé par le temps auquel la goutte subit une accélération nulle. Ainsi, le temps de rebond est directement déterminé par le mouvement que nous imposons au substrat quand l’adhésion est négligeable ou bien dépend à la fois du mouvement imposé au substrat et du temps nécessaire au démouillage du liquide restant au contact de la surface après le décollage de la périphérie.
L’intérêt du mécanisme proposé est double : nous pouvons contrôler le temps de rebond en jouant sur les caractéristiques de l’impulsion et nous pouvons obtenir des temps de contact très faibles, jusqu’à une réduction de 80% par rapport au temps usuel.