Des chercheurs du laboratoire GRASP (Group of Research and Applications in Statistical Physics) – Unité de recherche CESAM / Faculté des Sciences - en collaboration avec la Utah State University et la Brigham Young University, viennent de définir l’angle exact auquel des fibres pliées peuvent retenir un maximum de liquide. Les applications de cette découverte sont nombreuses, parmi lesquelles le développement de technologies de microfluidique ou encore l’optimisation de la collecte d'eau dans les régions arides. Cette recherche vient de faire l’objet d’un article scientifique publié dans la revue Soft Matter (1).
L
ors de votre prochaine promenade dans les bois, jetez un coup d'œil aux gouttelettes de rosée attachées aux plantes. Regardez, en particulier, celles piégées entre deux épines de sapin ou celles suspendues au bout d’un rameau de cyprès : elles sont imposantes et semblent défier les lois de la physique.
Inspirés par ces grosses gouttelettes qui se forment à la base d’une feuille ou un autre filament mince, des chercheurs de l'Université de Liège (Prof. Nicolas Vandewalle et Dr Floriane Weyer), de l'Utah State University (Prof. Truscott et Dr Pan) et de la Brigham Young University (Dr Pitt) se sont penché sur la physique des gouttes attachées à ces structures si particulières, en forme de V renversé. En étudiant la façon dont ces gouttes s'accrochent à une fibre pliée avec un certain angle, les chercheurs ont pu déterminer la géométrie optimale permettant d’y suspendre un maximum de liquide.
« Nous avons testé notre théorie en construisant un cadre circulaire rigide sur lequel nous avons fixé une fibre de nylon, explique Floriane Weyer, Doctorante au GRASP – Unité de recherche CESAM. Ensuite, nous avons attaché une fibre plus étroite au centre et avons tiré la fibre horizontale originale vers le haut, formant un V à l'envers. En faisant varier les emplacements de fixation de la fibre, nous pouvions changer l'angle formé entre les deux moitiés de la fibre pliée. Des liquides ont été déposés au niveau du coin formé par la fibre, à l'aide d'une micropipette. Le volume de la gouttelette a été augmenté progressivement jusqu'à ce que la gouttelette se détache de la fibre ». Les chercheurs ont rapidement constaté que les gouttes les plus imposantes étaient obtenues lorsque l'angle était faible. Après de nombreux essais expérimentaux, ils ont pu déterminer qu'une fibre courbée formant un angle de 36 degrés emprisonnait le plus d'eau, soit trois fois plus que ce qu’une fibre horizontale pouvait retenir. Un modèle a même été développé, capable de prédire cet angle. Leur découverte est publiée dans la revue Soft Matter (1), un journal prestigieux à l'intersection de la physique, la chimie et la biologie.
« Les applications de cette découverte sont nombreuses, explique Nicolas Vandewalle, directeur du GRASP – UR CESAM. On pense aux applications en microfluidique, comme le suivi de réactions biochimiques (2) à l'intersection de deux fibres optiques dont l'angle doit donc être parfaitement contrôlé. Mais, si la géométrie influence fortement la quantité d’eau capturée par des fibres, on peut aussi imaginer optimiser la collecte d'eau par des filets à nuages dans les régions arides par un choix de maille adéquat (3) ». Ces filets sont en effet utilisés pour récupérer l'humidité contenue dans le brouillard matinal. Leur optimisation biomimétique est d'ailleurs le point central d'un projet WISD FNRS (un soutien pour des projets sur le développement durable et la transition qui visent à mieux circonscrire la nature, les critères, les conditions d’existence, la dynamique et les voies de transition vers un développement durable) entre l'Université de Liège (Prof. Vandewalle) et l’Université Libre de Bruxelles (Prof. Terwagne).
(1) Z.Pan, F.Weyer, W.G.Pitt, N.Vandewalle and T.T.Truscott, Drop on a bent fiber, Soft Matter, 2018
(2) M.Lismont, N.Vandewalle, B.Joris, and L.Dreesen, Fiber based optofluidic biosensors, Appl. Phys. Lett. 105, 133701 (2014)
(3) F.Weyer, A.Duchesne and N.Vandewalle, Switching behavior of droplets crossing nodes on a fiber network, Scientific Reports 7, 13309 (2017)
En savoir plus sur les recherches de Floriane Weyer : www.reflexions.uliege.be/gouttesreseaux
Group of Research and Applications in Statistical Physics (GRASP) – Unité de recherche CESAM
Pr Nicolas VANDEWALLE I nvandewalle@uliege.be I +32 4 3663703
Dr Floriane WEYER I f.weyer@uliege.be I +32 4 3663752
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