Les bases du mouillage

Le mouillage d’une goutte caractérise son degré d’hydrophobie. La gravité force la goutte à s’écraser contre le sol. Mais une autre force est opposée à celle-ci.

1.   Angle de contact

Lorsqu’une goutte touche la Terre après une chute, il y a 3 matières différentes qui coexistent : le liquide, l’air qui l’environne et le solide qui la soutient. Le mouillage fait donc intervenir ces trois interfaces. On observe souvent que la goutte prend une forme semi-sphérique.

L’angle de contact est l’angle avec lequel la goutte rejoint le solide.

Cet angle définit le degré d’hydrophobie d’un solide. Par exemple, l’angle de contact d’une goutte d’eau sera plus faible sur une surface métallique que sur une toile cirée car le liquide aura tendance à s’étaler.

Il arrive parfois que cet angle « s’évanouisse », et que le liquide s’étale complètement

Goutte d’hydrocarbure et d’huile s’évanouissant sur une surface super-hydrophobe

sur le matériau sur lequel on le dépose. C’est le cas par exemple de la goutte d’huile déposée sur du verre. Dans ce cas-là, on parlera de mouillage total.

Tableau récapitulatif

Angle de contact θ	180°	180° < θ< 120°	120° < θ< 90°	90° < θ < 0°	0°
Surface de contact avec le solide	nulle	dérisoire	petite	grande	entière
Etat	Mouillage nul	superhydrophobie	hydrophobie	hydophilie	Mouillage total

Nous avons observé le comportement de substances aqueuses (ketchup et miel) sur une surface super-hydrophobe : leur angle de contact est effectivement important. Tandis que l’hydrocarbure s’étale complètement sur la surface super-hydrophobe.

Goutte de miel

Goutte de ketchup

Goutte d’hydrocarbure

2.   La tension superficielle

La tension superficielle est une force qui s’oppose à la gravité. Elle est donc inférieure à la pesanteur (car la goutte s’écrase). Cette force existe dès qu’il y a création d’une interface qui sépare deux milieux différents.

L’interface est une surface de contact entre deux milieux différents. La création d’une interface entre deux milieux est toujours accompagnée d’une consommation d’énergie. Son unité de mesure est le newton par mètre (N.m-1).

Chaque liquide possède une tension superficielle différente. Les alcools ou les hydrocarbures, par exemple, auront une tension assez basse et ne résisteront pas à la force développée par un film plastique. Par exemple, une goutte d’essence sur un film plastique ne formera pas une sphère mais s’étalera.

Modélisations : dans le cas présenté avec la photo, nous avons réussi à faire tenir un trombone à la surface de l’eau. Or, le trombone composé d’acier, est plus dense que l’eau. C’est la tension superficielle qui agit ici. Nous avons par la suite, dans notre expérimentation, rajouté du liquide vaisselle. Ce dernier diminue la valeur de la tension superficielle et nous avons donc observé que le trombone coulait. La tension de surface est donc à l’origine de ce phénomène.

Trombone à la surface de l’eau

3.   Relation de Young

La forme d’une goutte à la surface d’un solide dépend de 3 paramètres :

-la tension entre le liquide et le solide γ_SL

-la tension entre le liquide et la vapeur (air) γ_LV

-la tension entre le solide et la vapeur (air) γ_SV

Ces trois grandeurs sont reliées par l’équation de Young :

-γ_SV + γ_SL + γ_LV cos θ = 0

Soit cos θ = (γ_SV – γ_SL) / γ_LV

A notre niveau, seule la valeur de _SV est mesurable, par conséquent il est impossible de résoudre l’équation. Certains modèles, comme celui de Neumann ou encore celui de Owens et Wendt permettent de calculer ces deux inconnus. Mais ils sont très compliqués et notre niveau de 1^ère ne nous permet pas de les comprendre.