Gouttes et surfaces complexes : étalement et impact

Complex drops and surfaces : spreading and impact

• Auteur / Autrice : Grégoire Martouzet
• Direction : Anne-Laure Biance, Catherine Barentin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 18/07/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Lumière Matière
• Jury : Président / Présidente : Yoël Forterre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Laure Biance, Catherine Barentin, Etienne Reyssat, Emilie Verneuil, Hélène Delanoë-Ayari, Laurent Limat
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Etienne Reyssat, Emilie Verneuil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Interfaces solide-liquide

Fluides

Surfaces (physique)

Gouttes

Mots clés libres

Gouttes

Impacts

Friction

Fluide à seuil

Surfaces super-hydrophobes

Mouillage

Etalement

Surfaces flexibles

Drops

Impacts

Friction

Yield stress fluid

Super-hydrophobic surfaces

Flexible Surfaces

Wetting

Spreading

Résumé

De la goutte de pluie sur un textile au gel hydroalcoolique sur nos mains, comprendre l’étalement de gouttes de fluides sur divers types de surfaces est un enjeu majeur. Nous nous sommes intéressés à ce phénomène dans plusieurs situations. Premièrement, nous avons étudié l'étalement spontané d'un fluide complexe à seuil (des gels de Carbopol) sur une surface lisse hydrophile. Pour un tel fluide, la forme de la goutte à la fin d’un étalement spontané sur une surface hydrophile ne vérifie plus la loi de Young-Dupré. Nous avons montré que la goutte se fige dans un état final qui ne dépend plus seulement des paramètres thermodynamiques mais aussi de la taille initiale de la goutte, de sa contrainte seuil et des conditions aux limites hydrodynamiques. Dans un second temps, nous avons étudié l'étalement forcé (lors d’un impact) de fluide simple sur une surface micro-texturée super-hydrophobe. Ces surfaces ont la propriété d’avoir une friction plus faible qu’une surface lisse, c’est-à-dire que le fluide glisse à l’interface liquide-solide. Nous avons ainsi observé que l'étalement est plus long que sur une surface lisse. Cette étude a permis d’étudier l’influence du glissement sur un phénomène non stationnaire. Cependant, lorsque la vitesse d'impact devient trop importante, une transition entre un état de mouillage de Cassie et un état Wenzel peut être observée et le caractère super-hydrophobe perdu. Dans la dernière partie, nous avons cherché à fabriquer des surfaces qui résistent à une telle transition. Pour cela, nous avons fabriqué des membranes flexibles, micro-texturées et super-hydrophobes. Nous avons observé qu’elles sont bien plus robustes à l’empalement : une vitesse d’impact supérieure est nécessaire pour observer un empalement par rapport à un substrat non déformable. Ce retard à l'empalement est le résultat d'au moins deux effets. La vitesse relative de la membrane réduit la vitesse d'impact. La courbure de la membrane flexible pendant l'impact augmente la fraction solide, les textures deviennent plus proches ce qui évite la pénétration du fluide.

From the raindrop on a textile to the hydroalcoholic gel on our hands, understanding the spreading of fluid drops on various types of surfaces is a major issue. We are interested in this phenomenon in several situations. Firstly, we investigated the spontaneous spreading of a complex yield stress fluid (Carbopol gels) on a smooth hydrophilic surface. We have shown that, in this case, the final shape of the drop at the end of a spontaneous spreading on a hydrophilic surface no longer verifies the Young-Dupré law. The drop freezes in a final state, which no longer depends only on thermodynamic parameters but also on the initial size of the drop, its mechanical properties and the hydrodynamic boundary conditions. In a second part, we studied the drop spreading during an impact on super-hydrophobic multi-textured surfaces. These surfaces exhibit a lower friction than smooth surfaces, i.e. the fluid slips at the liquid-solid interface. We thus observed that the spreading is longer than on a smooth surface. This study allowed us to look at the influence of the slippage on a non-stationary phenomenon. However, textured surfaces can be subjected to a transition from a Cassie wetting state to a Wenzel state when the velocity is too high. This transition is called ''impalement'', some fluid remains trapped between the textures. In the last part, we fabricated surfaces that resist to such a transition. For this purpose, we made flexible, micro-textured and super-hydrophobic membranes. We observed that they are more robust to impalement and that a higher impact speed is required to observe an impalement compared to the case of a non-deformable substrate. This delay to impalement is the result of at least two effects. On one hand, the relative movment of the membrane with respect to the falling drop that reduces the impact velocity. On the other hand, the curvature of the flexible membrane during the impact that increases the solid fraction. Indeed the textures get closer together and prevents the fluid from penetrating them.