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ANGLE DE CONTACT ET TENSION SUPERFICIELLE
Comment évolue l'angle de contact d'une goutte de liquide en fonction de la tension superficielle?
Pendant que nous étudions l'évolution de la tension superficielle en fonction de la salinité de l'eau, nous avons fait parallèlement une étude de l'angle de contact et de la mouillabilité d'une goutte d'eau, toujours en fonction de sa salinité.
Avant d'aborder les expériences que nous avons faite à ce sujet, nous nous devons de poser une définition de la mouillabilité.
La mouillabilité est la différence entre une matière hydrophobe et une matière hydrophile, c'est-à-dire l’aptitude d'une surface à être mouillée par une matière donnée. Les matières hydrophiles sont très mouillables et les matières hydrophobes le sont beaucoup moins.
On définit la mouillabilité d’un matériau en observant l’angle de contact (le plus souvent noté α) qu’a ce dernier avec une goutte d’eau. Lorsque cet angle (aussi appelé angle de contact, ou angle de raccordement) est inférieur à 90°, la surface est dite plus ou moins hydrophile (la surface de contact entre l’eau et le matériau est élevé) et lorsqu’il est supérieur à 90°, la surface est dite plus ou moins hydrophobe (la surface de contact entre l’eau et le matériau est faible).
La mouillabilité représente l’importance de l’étalement d’une goutte d’eau ou d’un autre liquide sur une surface donnée : l’eau va conserver une forme globalement sphérique sur une surface hydrophobe et va s’étaler et s’aplatir sur une surface hydrophile.
Voici les trois formes principale que peut prendre une goutte de liquide sur une surface:
Toutefois, nous nous sommes vite rendus compte que mesurer l'angle de contact avec des feuilles de mûrier platane n'était pas une bonne idée, car la prise de photo n'est pas pratique, la mesure ne peut être faite que de la manière la plus approximative possible, et en plus de cela, la surface de la feuille n'est pas uniforme, ce qui veut dire que la goutte peut se déformer.
À ce moment là, la mesure de l'angle de raccordement est un échec cuisant, mais cet échec, au lieu de nous décourager, n'a fait qu'accroître notre désir d'arriver à créer une surface hydrophobe, et à réussir à mesurer l'évolution de cet angle de mouillabilité.
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A : forme d'une goutte sur une surface hydrophobe (angle de contact ≥ 90°) : le liquide ne mouille pas le solide.
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B : forme d'une goutte sur une surface moyennement hydrophobe et hydrophile (angle de contact ≤ 90°) : le liquide mouille imparfaitement le solide.
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C : forme d'une goutte sur une surface hydrophile (angle de contact ≤ 10°) : le liquide mouille parfaitement le solide.
Nous pouvons voir des exemples de surfaces hydrophobes et hydrophiles à chaque instant de notre vie: les feuilles de lotus, les brins d'herbes, les pétales de fleurs, les plumes de certains oiseaux, ect ... sont des surfaces dites hydrophobes. Au contraire, le verre, le métal, le coton, la ouate sont des matières hydrophiles.
Ainsi, grâce à de petites recherches, nous savions ce qu'est un angle de mouillage, une surface hydrophile, et une hydrophobe, et nous avons décidé de mesurer l'évolution de cet angle en fonction de plusieurs paramètres dans notre étude. Il nous fallait pouvoir obtenir des gouttes correctes et facilement observable, sur lesquelles nous pouvions faire des mesures précises. Pour cela, nous avons choisi de travailler sur une surface hydrophobe, par soucis de clarté et de facilité. Il nous fallait pouvoir disposer de la surface la plus hydrophobe possible, de la manière la plus rapide, et si possible, en ne déboursant aucun euros.
Grâce à monsieur Biras, nous savions que les feuilles de mûrier platane sont très hydrophobes, et qu'elles se trouvent un peu partout dans notre espace géographique, nous en avons d'abord utilisé pour essayer de faire des mesures.
Après quelques recherches supplémentaire (principalement sur internet), nous avons réussi à trouver une méthode d'une simplicité ébahissante, sur la conception rapide d'une surface super-hydrophobe. En plus d'être extrêment rapide à réaliser, cette surface ne nécessite pas beaucoup de matériel. Elle consiste à prendre une plaque en verre bien néttoyée préalablement, puis de la placer sur une flamme (de bougie idéalement, mais un briquet, ou n'importe quelle source de combustion peut faire l'affaire), pour y déposer de la suie. C'est cette suie qui rend la surface du verre hydrophobe.
Comme il a été dit précédemment, et comme les images l'illustrent, le fait que cette suie s'applique de manière uniforme sur le verre a pour effet de provoquer une réaction hydrophobe de l'eau à son contact, rendant la plaque de verre impossible à mouiller dans la zone noircie. On peut voir la comparaison entre une goutte d'eau sur le verre classique (à gauche) et une autre de même volume, sur du verre recouvert de suie (à droite), et le constat est immédiat: la goutte d'eau au contact du verre recouvert de suie prend une forme de sphère, avec un angle de mouillabilité nettement supérieur à 90°, alors que la goutte de gauche, qui est sur du verre normal, possède un angle qui doit se rapprocher de 15°. Ce qui monte bien qu'il y a hydrophobie. En conclusion, nous avons donc enfin trouvé une méthode pour créer une surface hydrophobe, permettant de mesurer précisément l'angle de contact et son évolution en fonction de la salinité de l'eau.
Alors que nous avions enfin notre moyen de mesurer un angle de raccordement de manière précise, nous avons mis en place un protocole qui nous permettrait de mesurer et de comparer des gouttes d'eau, aux mêmes concentrations de sel que lorsque nous avons étudiés l'évolution de la tension superficielle en fonction de la salinité de l'eau, c'est-à-dire 0,3 ; 0,6 ; 0,8, 1 ; et 1,5 mol de sel par litre d'eau. Cette procédure de mesure consiste à poser une goutte d'eau normale sur la plaque de verre recouverte de suie hydrophobe, pour ensuite poser une goutte avec une concentration de sel plus ou moins élevée, prendre une photo, et la transférer sur Mesurim, un logiciel permettant de mesurer l'angle de raccordement. On prendra soin de déposer des gouttes de même volume, avec une seringue, et de mettre une règle sur le même champs de profondeur que les gouttes en prenant la photographie, pour qu'un étalonnage soit possible si nécessaire.
Nous avons relevé les valeurs sur un tableau et un graphique, et voici ce que nous avons obtenus:
Ces données soulignent le fait que la valeur de l'angle de contact entre la goutte et la surface hydrophobe augmente plus la tension superficelle baisse, ce qui paraît logique, au vu des résultats de nos expériences précédentes.
Cependant, on remarque qu'à grande échelle, cette différence d'angle ne se voit que très peu à l'oeil nu, même pour des concentrations de sel élevées. Pour voir une différence plus forte entre les gouttes, nous avons pris par la suite une micropipette, permettant de faire des gouttes de l'ordre du microlitre. Avec l'aide de cette micropipette, nous avons fait une goutte d'eau classique, et une autre ayant une concentration en sel de 1 mole par litre d'eau juste à côté. En voyant le résultat, nous avons été impressionné de voir l'angle de contact varier autant sur des gouttes d'eau, qui pourtant ne semblent pas si différentes l'une de l'autre de prime abord. Il est aussi intéressant de noter, que la goutte constituée d'eau salée, donc avec une tension superficielle moindre, en plus d'avoir un angle de raccordement plus grand, possèdent une surface de contact plus importante avec la surface hydrophobe.
Conclusion:
La tension superficielle fait évoluer l'angle de contact du liquide avec un solide, et donc, son étalement. Mais cet angle peut-il être altéré par d'autres facteurs?