Grâce à la simulation informatique, les experts sont parvenus à modéliser le comportement des molécules à l’interface liquide-gaz à l’échelle du nanomètre, leur permettant 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, connu sous le nom d’hydrogène vert, comme l’a rapporté 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. Avec les matériaux hydrophiles, cependant, 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 bouillant, une très fine pellicule de liquide – invisible à l’œil – reste en dessous. Ce film détermine comment la bulle grandit 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. « Il 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 », a expliqué le professeur Uwe Hampel, responsable de la dynamique expérimentale des fluides thermiques 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 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 considérablement dans certains cas 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 », a expliqué le chercheur du HZDR, le Dr Wei Ding. « Ensuite, nous avons utilisé un ordinateur pour simuler l’interaction entre ces molécules. »

Ce faisant, le groupe de recherche a découvert une différence significative par rapport aux approches précédentes : les forces agissant entre les molécules ne s’additionnent pas simplement de manière linéaire. Au lieu de cela, l’interaction est beaucoup plus complexe, ce qui entraîne des effets non linéaires distincts. Ce sont précisément les effets que les experts considèrent dans leur nouvelle théorie élargie.

« Notre hypothèse fournit une bonne explication des résultats obtenus lors d’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 porteurs de promesses de progrès dans plusieurs domaines technologiques, tels que la microélectronique. Dans ce domaine, les processeurs sont désormais si puissants qu’ils dégagent de plus en plus de chaleur, qui doit ensuite être dissipée par des systèmes de refroidissement.

« Il existe des idées pour évacuer 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 montantes peuvent dissiper l’énergie thermique le plus efficacement possible. » Les équations pourraient également aider à refroidir les éléments combustibles dans un réacteur nucléaire plus efficacement que par le passé.

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 des membranes d’un électrolyseur lors de la séparation de l’eau. Avec cette nouvelle théorie, il semble concevable que ces bulles puissent être influencées plus spécifiquement qu’auparavant, permettant 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 nanorainures à une surface, par exemple, peut considérablement accélérer le détachement des bulles de gaz pendant l’ébullition », a expliqué Wei Ding. « Avec notre nouvelle théorie, une telle structuration peut désormais être plus finement adaptée – un projet sur lequel nous travaillons déjà. »