Images successives d’une goutte autopropulsée par son tourbillon interne. Ambre Bouillant, Célia Boutilier & David Quéré

L’expérience est simple et spectaculaire. Quelques gouttes d’eau lâchées sur une plaque chauffante se mettent soudainement en boule et roulent à grande vitesse vers la périphérie, avant de s’évaporer. Cet effet, dit Leidenfrost, du nom du chercheur qui l’a étudié en 1756, est dû à la ­caléfaction, c’est-à-dire l’apparition d’une couche de vapeur sous le ­liquide formant un coussin d’air sur lequel glissent les gouttes.

Depuis deux cents ans, les chercheurs avaient, semble-t-il, fait le tour de la question – montrant par exemple qu’une structure rugueuse sur la surface peut guider les gouttes. Or une équipe française de ­l’ESPCI ParisTech, du CNRS et de l’Ecole polytechnique vient d’exposer dans Nature Physics du 10 septembre un fait surprenant, passé inaperçu jusqu’alors : ces gouttes sont autopropulsées ! Même posées sans inertie, immobiles, sur une surface parfaitement horizontale, elles avancent à près de dix centimètres par seconde, comme si elles avaient un petit moteur en elles. « C’est une grosse surprise. Un truc incroyable mis en évidence sur un système très ancien », s’enthousiasme David Quéré, le responsable de l’équipe à l’ESPCI ParisTech.

Un tourbillon et un flux d’air

Deux effets subtils se conjuguent pour expliquer le phénomène. D’abord, dans la goutte, le fluide n’est pas si tranquille que cela. Un tourbillon est créé par les différences de température entre sa base et son sommet (mais non dû au phénomène de convection), comme le montre le mouvement circulaire de petites particules introduites dans le liquide. De quoi faire tourner le ­liquide, comme une roue.

Mais avoir une roue qui tourne ne suffit pas à la faire avancer, car ­celle-ci est posée sur un coussin d’air sans frottement, ce qui interdit le mouvement. Les chercheurs ont alors découvert un second effet. La goutte en tournant modifie le flux d’air à la base, ce qui conduit à soulever l’arrière par rapport à l’avant et donc à créer une dissymétrie ­entraînant le mouvement. Cette description phénoménologique a été confirmée par l’observation de la déformation microscopique de la goutte par l’étudiante en thèse de l’équipe, Ambre Bouillant.

A noter que cela ne roule pas toujours aussi bien. Si la sphère liquide est trop grosse, plus de un millimètre et demi de rayon, il peut y avoir deux tourbillons antagonistes à l’intérieur et, dans ce cas, le moteur ne se déclenche pas.

Les chercheurs ont aussi testé ­plusieurs fluides, plusieurs surfaces ou plusieurs températures pour s’assurer qu’ils avaient bien identifié un nouveau moteur. « Nous n’avons pas découvert le mouvement perpétuel, puisque la plaque chauffante est une source d’énergie » et que la goutte s’évapore, ­prévient David Quéré, qui réfléchit néanmoins à exploiter ce résultat. Son équipe étudie ainsi de nouvelles méthodes de propulsion, par ­exemple en utilisant des surfaces où la température n’est pas homogène, ce qui devrait modifier le flux de vapeur sous la goutte et ­l’attirer des zones chaudes vers les zones froides.

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