Contrôler les oscillations d’une goutte d’eau grâce à des nanoparticules magnétiques
Certaines vibrations entrent en résonance avec les oscillations naturelles des gouttes d’eau, modifiant complètement leur forme. Une équipe du laboratoire Matière et systèmes complexes est parvenue à modifier les fréquences auxquelles l’eau réagit, grâce à des nanoparticules magnétiques et à un champ magnétique. Ces travaux ont été publiés dans la revue Physical Review Fluids.
Des motifs en forme de lobes peuvent apparaître en périphérie de gouttes d’eau soumises à des vibrations, et ces oscillations sont amplifiées à certaines fréquences de résonance. Les physiciens du laboratoire Matière et ystèmes complexes (MSC, CNRS/Université Paris Diderot), ont réussi de leur côté à diminuer les fréquences auxquelles ces gouttes entrent en résonance. Ils ont pour cela ajouté des nanoparticules de maghémite, un oxyde de fer, à hauteur de 12 % du volume d’une goutte d’eau. Cette dernière est également placée sur un substrat super-hydrophobe, qui permet de réduire les frottements et les lignes de contact, dont le fond légèrement incurvé maintient la goutte en place malgré les vibrations. La goutte est ensuite à la fois soumise à une vibration mécanique verticale et à un champ magnétique, à l’intensité ajustable jusqu’à 200 fois le champ magnétique terrestre.
L’intensification de ce champ magnétique entraîne une diminution des fréquences de résonance d’un maximum de 20 %, mais ne les augmente jamais. Les chercheurs ont en effet montré que le champ magnétique a un effet analogue à une réduction de la tension de surface de la goutte. Comme elle devient moins « élastique », elle réagit à des fréquences plus basses.
Les vibrations des gouttes sont utilisées dans des domaines aussi variés que la modélisation des collisions stellaires et des phénomènes en physique nucléaire, les mesures de viscosité, ou encore la microfluidique. Ces travaux permettraient de contrôler à distance les oscillations d’une goutte et d’éviter ainsi certaines fréquences de résonance gênantes.
Vue de dessus d’une goutte centimétrique, constituée de nanoparticules magnétiques dans de l’eau (ferrofluide), aplatie par la gravité, sur un substrat super-hydrophobe. Ici, le champ magnétique est nul. Lorsque le substrat est soumis à des vibrations, des lobes apparaissent à la surface de la goutte, qui oscillent perpendiculairement à la direction de vibration (3, 5, 7 et 9 lobes respectivement).
L e nombre de lobes croît lorsque la fréquence de vibration du substrat augmente, le champ magnétique étant nul. L’application d’un champ magnétique permet de contrôler à distance ces modes d’oscillations de la goutte, et de pouvoir décaler leur fréquence de résonance de façon significative.