Special liquid rebounds

Rebonds spéciaux de liquides

Pierre Chantelot (1)

1 LadHyX - Laboratoire d'hydrodynamique

This thesis revolves around the ability of liquid drops to bounce off superhydrophobic materials. We generate special rebounds and characterize them experimentally.We focus on finding the relevant physical phenomena to describe the temporal and spatial extension of such events, both quantities being of importance from the fundamental and applied point of vue. First, we study the influence of the susbtrate geometry. We modify the surface locally, by introducing a singular macrotexture, and show that it leads to a new bouncing mechanism that shortens the contact time by a factor typically 2. We also modify the substrate at the size of the drop. We perform impacts on non wetting cones and spheres and compare them to what is observed on a flat surface. Then, we study the effect of substrate motion. We make impacts on soft materials that can be deformed by the drop. We show that this situation can lead to fast bouncing and interpret the contact time as the result of an interplay between the timescale of the drop and that of the substrate. We also discuss the influence of substrate deformation on splashing. We go deeper into the effect of substrate motion by using rigid materials which movement we can trigger. We evidence new liquid shapes, conical cavities, by submitting a drop, initially at rest, to a vertical impulse.Surprisingly, the low, but present, adhesion of superhydrophobic materials is the key ingredient needed to observe such shapes. We also work on the effect of motion at the onset of impact, by trigerring the substrate movement using the signal from a MEMS force sensor intregrated in the surface. This setup allow us to reach contact times that represent 20% of the contact time on an immobile substrate. Finally, we change perspective and modify the liquid instead of the solid. We show that viscous drops can bounce as long as their viscosity does not exceed 200 times that of water.

Ce travail de thèse s'articule autour de plusieurs variations sur le thème du rebond d'une goutte d'eau sur une surface non-mouillante. Nous engendrons des rebonds spéciaux que nous caractérisons expérimentalement. Notre analyse de ces rebonds se concentre sur la mise en évidence des paramètres et des phénomènes physiques contrôlant leur extension spatiale et temporelle, deux quantités qu'il est important de comprendre tant d'un point de vue fondamental qu'appliqué. Nous étudions, dans un premier temps, les effets de la géométrie du substrat sur le rebond d'une goutte d'eau. Nous montrons qu'une modification locale, l'ajout d'une macrotexture ponctuelle, crée un mécanisme de rebond nouveau que nous associons à une réduction du temps de contact d'un facteur 2. Nous réalisons également des impacts sur des substrats coniques et sphériques en mettant en avant les différences et les similitudes avec les impacts sur une surface plane. Dans un second temps, nous nous intéressons aux effets créés par un substrat mobile. Nous étudions l'impact de gouttes sur des surfaces déformables et comprenons comment l'échelle de temps du rebond est influencée par une interaction entre celle de la goutte et celle du substrat. Nous discutons aussi l'influence de la déformation du substrat sur le splash. Notre étude de l'influence du mouvement s'est poursuivie en utilisant des surfaces rigides auxquelles nous pouvons imposer un déplacement vertical. En soumettant des gouttes initialement au repos à un mouvement impulsionnel, nous engendrons de surprenantes cavités coniques dont nous modélisons la dynamique. Cette expérience permet de faire un constat étonnant, la faible adhésion des surfaces superhydrophobes est nécessaire à l'obtention des cavités. Nous réalisons des impacts sur une surface dont le déplacement peut-être déclenché au moment du contact entre le liquide et le solide à l’aide du signal provenant d’un capteur de force de type MEMS. Nous atteignons des temps de contact extrêmement réduits, de l’ordre de 20% de celui observé sur le même substrat sans mouvement. Enfin, nous modifions le liquide et non le substrat. Nous montrons que des gouttes jusqu'à 200 fois plus visqueuses que l'eau peuvent rebondir sur des matériaux superhydrophobes.

Mots clés: Superhydrophobicity; Bouncing; Macrotexture

Mots clés: Superhydrophobie; Rebond; Macrotexture

Domaines: Mécanique des fluides [physics.class-ph]; Dynamique des Fluides [physics.flu-dyn]

Pierre Chantelot. Rebonds spéciaux de liquides. Mécanique des fluides [physics.class-ph]. Université Paris Saclay (COmUE), 2018. Français. ⟨NNT : 2018SACLX120⟩. ⟨tel-02011789⟩