Une équipe de physiciens de l’Université de Pennsylvanie a montré comment perturber l’effet “anneau de café” – la tache en forme d’anneau des particules qui restent après l’évaporation des gouttes de café – en changeant la forme des particules. Cette découverte offre aux ingénieurs de nouveaux outils pour déposer des revêtements uniformes.
La recherche a été menée par le professeur Arjun Yodh, les doctorants Peter Yunker et Matthew Lohr, et le post-doctorant Tim Still, tous du département de physique et d’astronomie de l’école des arts et des sciences de Penn.
L’effet de l’anneau de café est très commun dans l’expérience quotidienne”, a déclaré Yunker. Pour l’éviter, les scientifiques se sont donné beaucoup de mal pour concevoir des peintures et des encres qui produisent une couche uniforme lors de l’évaporation. Nous avons découvert que l’effet peut être éliminé simplement en changeant la forme de la particule”.
Particules de café (Université de Pennsylvanie)
Les bords d’une goutte d’eau posée sur une table ou une feuille de papier, par exemple, sont souvent “collés” à la surface. Cela signifie que lorsque l’eau s’évapore, la goutte ne peut pas rétrécir en circonférence mais s’aplatit au contraire. Ce mouvement d’aplatissement pousse l’eau et tout ce qui y est en suspension, comme les particules de café, vers ses bords. Au moment où la goutte s’évapore complètement, la plupart des particules ont atteint le bord et se déposent à la surface, formant un anneau sombre.
Les physiciens de l’Université de Chicago Sidney Nagel, Thomas Witten et leurs collègues ont écrit un article influent sur ce processus en 1997, qui se concentrait principalement sur les particules sphériques en suspension, mais il a fallu attendre les récentes expériences de l’équipe Yodh pour découvrir le rôle surprenant joué par la forme des particules en suspension.
L’équipe de Yodh a utilisé des particules de plastique de taille uniforme dans ses expériences. Ces particules étaient initialement sphériques mais pouvaient être étirées à différents degrés d’excentricité, afin de s’assurer que les expériences ne testaient que l’effet de la forme de la particule sur le schéma de séchage.
Les chercheurs ont été surpris par l’importance de l’effet de la forme des particules sur le phénomène de séchage.
Les différentes géométries des particules modifient la nature de la membrane à l’interface air-eau”, a déclaré Yodh. Et cela a de grandes conséquences.
Les particules sphériques se détachent facilement de l’interface, et elles s’écoulent facilement les unes devant les autres parce que les sphères ne déforment pas substantiellement l’interface air-eau. Les particules elliptiques, en revanche, provoquent une ondulation importante de l’interface air-eau qui induit à son tour de très fortes attractions entre les ellipsoïdes. Ainsi, les ellipsoïdes ont tendance à se coller à la surface et, bien que les particules collées puissent continuer à s’écouler vers les bords de la goutte pendant l’évaporation, elles se bloquent de plus en plus les unes les autres, créant un embouteillage de particules qui finit par recouvrir la surface de la goutte.
Une fois que vous avez étiré les particules sphériques d’environ 20 %, dit Yunker, les particules se déposent uniformément.
Après avoir expérimenté la forme des particules en suspension, les chercheurs ont ajouté un agent tensioactif, essentiellement du savon, dans les gouttes pour montrer que les interactions à la surface de la goutte étaient responsables de l’effet. Le tensioactif diminuant la tension superficielle de la goutte, les particules ellipsoïdes ne sont pas restées coincées à l’interface et se sont écoulées librement vers le bord.
Ils ont également testé des gouttes contenant des mélanges de particules sphériques et oblongues. Lorsque les sphères étaient beaucoup plus petites que les ellipsoïdes, les sphères s’écoulaient vers le bord, mais, à partir d’une certaine taille, elles étaient piégées de la même manière.
Nous avons pensé qu’il serait utile de saupoudrer quelques-unes de ces particules ellipsoïdes pour éliminer l’effet d’anneau de café”, a déclaré Yodh, “et nous avons constaté que parfois cette idée fonctionne et parfois non”.
La compréhension de l’impact de la forme des particules sur le séchage des gouttes pourrait avoir des applications dans l’impression et la peinture. Les principes pourraient également être pertinents dans des contextes biologiques et médicaux.
Dans de nombreux cas, la façon dont nous fabriquons les revêtements implique des produits chimiques dangereux”, a déclaré Yunker. ‘Si vous avez besoin de quelque chose qui soit bio-compatible, c’est plus difficile.’
Il y a beaucoup de situations où l’on veut des revêtements uniformes”, a-t-il ajouté. Ce travail va inciter les gens à réfléchir à de nouvelles façons de le faire.
