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S'interroger sur l'eau renversée
Lorsque vous renversez une boisson sur une table, le liquide s'étale puis s'arrête, laissant une flaque d'eau aux limites nettes. Les formules utilisées par les scientifiques pour décrire un tel écoulement de fluide, cependant, disent que l'eau devrait simplement continuer à se répandre sans fin. Tout le monde sait que ce n'est pas le cas, mais pourquoi ? Comprendre la réponse est essentiel pour les processus allant de la lubrification des engrenages à la séquestration du dioxyde de carbone.
Ruben Juanes, professeur agrégé de génie civil et environnemental, ainsi que l'étudiant diplômé Amir Pahlavan, l'associé de recherche Luis Cueto-Felgueroso et le professeur de génie mécanique Gareth McKinley, PhD '91, ont récemment trouvé la réponse à cette énigme de longue date.
Le modèle classique à couche mince décrit l'étalement d'un film liquide, mais il ne prédit pas son arrêt, dit Pahlavan. Il s'avère que le problème est un problème d'échelle : ce qui arrête réellement la flaque d'eau, ce sont des forces qui n'agissent qu'à l'échelle nanométrique, explique-t-il. Et même si ces forces sont minuscules, leur effet modifie le comportement du liquide d'une manière évidente à une échelle beaucoup plus grande.
Ces forces intermoléculaires, qui diminuent fortement avec la distance, ne jouent un rôle que sur des objets extrêmement proches les uns des autres. Près du bord d'une flaque d'eau, le film de liquide devient extrêmement mince et les surfaces supérieure et inférieure se touchent presque. Là, les interfaces liquide-solide et liquide-air sont suffisamment proches pour que les forces intermoléculaires les affectent. Ce sont les forces intermoléculaires manquantes dans la description macroscopique, dit Pahlavan. Alors qu'il était connu que ces forces devaient être prises en compte, les modèles proposés précédemment n'avaient pas réussi à correspondre de manière cohérente aux observations expérimentales. En tenant compte de la modification à l'échelle nanométrique de la tension superficielle près du bord de la flaque d'eau, le modèle des chercheurs du MIT résout bon nombre des incohérences des modèles précédents.
Les principes impliqués affectent de nombreuses autres situations où la capacité de calculer le comportement d'un fluide peut avoir des conséquences importantes, de la lubrification aux systèmes de refroidissement. Par exemple, pour la séquestration du carbone - retirer le dioxyde de carbone des émissions de combustibles fossiles et l'injecter dans les formations souterraines - comprendre comment le fluide se propagera à travers les pores de la roche est essentiel pour prédire la stabilité de ce type de stockage.
Vous commencez avec quelque chose de très simple, comme la propagation d'une flaque d'eau, mais vous arrivez à quelque chose de très fondamental sur les forces intermoléculaires, dit Juanes. Le même processus, la même physique, sera en jeu dans de nombreux flux complexes.