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Le miel et d'autres liquides très visqueux s'écoulent plus rapidement que l'eau dans des capillaires spécialement revêtus. Cette découverte surprenante a été faite par Maja Vuckovac et ses collègues de l'Université Aalto en Finlande, qui ont également montré que cet effet contre-intuitif provient de la suppression de l'écoulement interne au sein des gouttelettes plus visqueuses. Leurs résultats contredisent directement les modèles théoriques actuels sur l'écoulement des liquides dans les capillaires superhydrophobes.
Le domaine de la microfluidique consiste à contrôler l'écoulement de liquides dans des capillaires très étroits, généralement pour la fabrication de dispositifs médicaux. Les fluides à faible viscosité sont idéaux pour la microfluidique car ils s'écoulent rapidement et sans effort. Des fluides plus visqueux peuvent être utilisés en les faisant circuler à des pressions plus élevées, mais cela augmente les contraintes mécaniques dans les structures capillaires fragiles, ce qui peut entraîner une défaillance.
Une autre solution consiste à accélérer l'écoulement grâce à un revêtement superhydrophobe contenant des micro- et nanostructures qui emprisonnent des coussins d'air. Ces coussins réduisent considérablement la surface de contact entre le liquide et la surface, ce qui diminue la friction et augmente l'écoulement de 65 %. Cependant, selon la théorie actuelle, ces débits continuent de diminuer avec l'augmentation de la viscosité.
L'équipe de Vuckovac a testé cette théorie en observant des gouttelettes de viscosités variables, attirées par la gravité depuis des capillaires verticaux dotés de revêtements internes superhydrophobes. Se déplaçant à vitesse constante, les gouttelettes compriment l'air situé en dessous d'elles, créant un gradient de pression comparable à celui du piston.
Alors que les gouttelettes présentaient la relation inverse attendue entre la viscosité et le débit dans les tubes ouverts, lorsque l'une ou les deux extrémités étaient scellées, les règles étaient complètement inversées. L'effet était le plus prononcé avec les gouttelettes de glycérol — même si elles étaient 3 ordres de grandeur plus visqueuses que l'eau, elles s'écoulaient plus de 10 fois plus vite que l'eau.
Pour comprendre les mécanismes physiques à l'origine de cet effet, l'équipe de Vuckovac a introduit des particules traceuses dans les gouttelettes. Le suivi du mouvement de ces particules au fil du temps a révélé un flux interne rapide au sein de la gouttelette la moins visqueuse. Ces flux entraînent la pénétration du fluide dans les structures micro- et nanométriques du revêtement. Ceci réduit l'épaisseur du coussin d'air, empêchant l'air sous pression situé sous la gouttelette de s'infiltrer pour équilibrer le gradient de pression. À l'inverse, la glycérine ne présente quasiment aucun flux interne perceptible, ce qui inhibe sa pénétration dans le revêtement. Il en résulte un coussin d'air plus épais, facilitant le déplacement latéral de l'air situé sous la goutte.
À partir de leurs observations, l'équipe a mis au point un modèle hydrodynamique actualisé qui prédit mieux le déplacement des gouttelettes dans les capillaires dotés de différents revêtements superhydrophobes. Des travaux complémentaires pourraient permettre de développer de nouveaux dispositifs microfluidiques capables de manipuler des produits chimiques et des médicaments complexes.
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