Si vous avez déjà éclaboussé de l’eau sur une poêle chaude, vous avez probablement vu comment les gouttelettes semblent danser et léviter au-dessus de la surface. Bien que cela puisse ressembler à une astuce visuelle, ces gouttes lévitent en réalité grâce à un phénomène connu sous le nom d’effet Leidenfrost.
Cet effet, nommé d’après le médecin allemand Johann Gottlob Leidenfrost, est étudié par les physiciens depuis le XVIIIe siècle. Cela se produit lorsqu’une surface est suffisamment chaude pour vaporiser la base des gouttelettes d’eau, créant ainsi un coussin de vapeur qui les maintient flottantes.
Généralement, ce phénomène est observé à des températures supérieures à 230 degrés Celsius, mais des recherches récentes, publiées dans Nature Physics, ont remis en question ces limites établies.
Une équipe dirigée par Jiangtao Cheng, professeur agrégé de génie mécanique à Virginia Tech, a réussi à induire l’effet Leidenfrost à des températures beaucoup plus basses, autour de 130 degrés Celsius.
Cela a été possible grâce au développement de surfaces recouvertes de micropiliers. Ces structures microscopiques, d’une hauteur de seulement 0,08 millimètre (environ l’épaisseur d’un cheveu humain), sont disposées selon un motif régulier espacé de 0,12 millimètre, selon un communiqué de presse.
Chaque goutte d’eau se propage sur 100 ou plus de ces micropiliers. Ces petits piliers augmentent le transfert de chaleur vers les gouttelettes d’eau, leur permettant de bouillir plus rapidement et rendant le phénomène observé en quelques millisecondes.
“Comme les papilles d’une feuille de lotus, les micropiliers font plus que simplement décorer la surface”, a expliqué Cheng. “Ils confèrent à la surface de nouvelles propriétés.”
Transfert de chaleur efficace
Cette innovation redéfinit non seulement l’effet Leidenfrost, mais a également des implications pratiques importantes, en particulier dans les domaines qui nécessitent un transfert de chaleur efficace, tels que le refroidissement des machines industrielles et les tours de refroidissement nucléaires.
Selon Wenge Huang, doctorant et membre de l’équipe de recherche, la surface des micropiliers permet un mécanisme de transfert de chaleur plus efficace, ce qui pourrait prévenir des incidents tels que des explosions de vapeur.
“Nous pensions que les micropiliers modifieraient le comportement de ce phénomène bien connu, mais nos résultats ont même défié nos propres attentes”, a déclaré le professeur Jiangtao Cheng, directeur de l’étude.
Ces explosions présentent un risque sérieux dans les environnements industriels et nucléaires, car elles se produisent lorsque des bulles de vapeur dans un liquide se dilatent rapidement en raison d’une source de chaleur intense. La structure de surface des échangeurs de chaleur peut influencer considérablement la croissance de ces bulles.
Nettoyage en milieu industriel
De plus, cette stratégie de surface à micropiliers améliore non seulement le transfert de chaleur, mais facilite également le nettoyage des surfaces. Les bulles de vapeur générées peuvent déloger les particules et les débris des textures de surface, améliorant ainsi l’efficacité des processus de nettoyage dans les environnements industriels.
“Nous pensions que les micropiliers modifieraient le comportement de ce phénomène bien connu, mais nos résultats ont même défié nos propres attentes”, a déclaré Cheng. “Les interactions observées entre les bulles et les gouttelettes constituent une grande découverte pour le transfert de chaleur en ébullition”, a-t-il ajouté.
