22.11.2022 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

Une vue à l'échelle nanométrique de la formation des bulles

Un nouveau modèle décrit désormais le processus d'ébullition avec beaucoup plus de précision

Lorsqu'un liquide bout dans un récipient, de minuscules bulles de vapeur se forment au fond et s'élèvent, transférant ainsi de la chaleur. La façon dont ces petites bulles se développent et finissent par se détacher n'était jusqu'à présent pas connue dans les moindres détails. Une équipe de recherche germano-chinoise, sous la direction du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), est maintenant parvenue à élargir fondamentalement cette compréhension. Grâce à la simulation informatique, les experts ont réussi à modéliser le comportement des molécules à l'interface liquide-gaz à l'échelle du nanomètre, ce qui leur a permis de décrire le processus d'ébullition avec une extrême précision. Les résultats pourraient être appliqués aux futurs systèmes de refroidissement des microprocesseurs ou à la production d'hydrogène neutre en carbone, appelé hydrogène vert, comme le rapporte l'équipe dans le "Journal of Colloid and Interface Science".

La façon dont les gouttelettes ou les bulles de vapeur mouillent une surface dépend du type et de la nature du matériau de surface. Par exemple, des gouttes sphériques se forment sur des matériaux hydrophobes, avec une surface de contact minimale avec la base. En revanche, sur les matériaux hydrophiles, le liquide a tendance à créer des dépôts plats - l'interface solide-liquide est alors beaucoup plus grande. De tels processus peuvent être décrits théoriquement par l'équation de Young-Laplace. Cette équation donne un angle de contact qui caractérise le comportement des gouttelettes sur la surface : les grands angles indiquent un mauvais mouillage, tandis que les petits angles indiquent un bon mouillage. Lorsqu'une bulle de vapeur se forme sur une paroi dans un liquide en ébullition, un film très fin de liquide - invisible à l'œil nu - subsiste en dessous. Ce film détermine comment la bulle se développe et comment elle se détache de la paroi. L'angle de contact joue également un rôle clé à cet égard.

La théorie sous-jacente repose sur une approche relativement simple. "Elle prend en compte à la fois la pression exercée à l'extérieur par le liquide et la pression de vapeur à l'intérieur de la bulle", explique le professeur Uwe Hampel, responsable de la dynamique thermique expérimentale des fluides au HZDR. "Ensuite, il y a la pression capillaire, qui est créée par la courbure de la surface de la bulle". Récemment, cependant, une série d'expériences utilisant la mesure par laser ont démontré que cette théorie établie échoue pour les très petites gouttelettes et bulles : à l'échelle nanométrique, les angles de contact mesurés s'écartaient parfois considérablement des prédictions théoriques.

Une interaction complexe de molécules

Pour résoudre ce problème, l'équipe de recherche germano-chinoise a entrepris de réviser la théorie. Pour ce faire, ils ont examiné de plus près les processus qui se produisent lorsqu'un liquide bout. "Nous avons examiné en détail le comportement interfacial des molécules", explique le Dr Wei Ding, chercheur au HZDR. "Puis nous avons utilisé un ordinateur pour simuler l'interaction entre ces molécules". Ce faisant, le groupe de recherche a découvert une différence importante par rapport aux approches précédentes : les forces agissant entre les molécules ne s'additionnent pas simplement de manière linéaire. Au contraire, l'interaction est beaucoup plus complexe, ce qui entraîne des effets non linéaires distincts. Ce sont précisément ces effets que les experts prennent en compte dans leur nouvelle théorie élargie. "Notre hypothèse fournit une bonne explication aux résultats obtenus dans les expériences récentes", a déclaré Ding avec joie. "Nous avons maintenant une compréhension beaucoup plus précise du comportement des minuscules gouttelettes et des bulles de vapeur."

En plus de compléter notre compréhension de la base théorique, les résultats sont également prometteurs de progrès dans plusieurs domaines technologiques, comme la microélectronique. Dans ce domaine, les processeurs sont désormais si puissants qu'ils dégagent des quantités croissantes de chaleur, qui doivent ensuite être dissipées par des systèmes de refroidissement. "Il existe des idées pour éliminer cette chaleur en faisant bouillir un liquide", remarque Uwe Hampel. "Avec notre nouvelle théorie, nous devrions être en mesure de déterminer les conditions dans lesquelles les bulles de vapeur ascendantes peuvent dissiper l'énergie thermique le plus efficacement possible." Les équations pourraient également permettre de refroidir les éléments combustibles d'un réacteur nucléaire plus efficacement que par le passé.

Une production d'hydrogène plus efficace

L'électrolyse de l'eau pour produire de l'hydrogène neutre en carbone, appelé hydrogène vert, est une autre application potentielle. D'innombrables bulles de gaz se forment sur les surfaces de la membrane d'un électrolyseur pendant la division de l'eau. Grâce à cette nouvelle théorie, il semble concevable d'influencer ces bulles de manière plus spécifique qu'auparavant, ce qui permettrait une électrolyse plus efficace à l'avenir. La clé de toutes ces applications potentielles réside dans la sélection et la structuration de matériaux appropriés. "L'ajout de nanogrooves à une surface, par exemple, peut accélérer considérablement le détachement des bulles de gaz pendant l'ébullition", explique Wei Ding. "Grâce à notre nouvelle théorie, une telle structuration peut désormais être plus finement adaptée - un projet sur lequel nous travaillons déjà."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

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