Sculpter la surface de l'eau

Des physiciens de l’Université de Liège ont réussi à sculpter la surface de l’eau en exploitant la tension superficielle. Grâce à l'impression 3D de pics rapprochés, ils ont combiné des ménisques pour créer des reliefs liquides programmés, capables de guider des particules sous la seule action de la gravité. Une avancée prometteuse pour le transport et le tri microscopique ou encore la dépollution marine. Cet article a même été sélectionné parmi les Editors’ Highlights de la revue Nature Communications dans lequel il est publié.

A

vez-vous déjà tenté d’incliner un liquide dans un verre ? C’est totalement impossible. Si vous penchez le verre, la surface du liquide se remettra automatiquement à l’horizontale ... à l’exception d’une petite courbure - à peine visible - qui se forme près du bord du verre. Cette courbure s’appelle un ménisque. Et ce ménisque est dû à la capillarité, une force qui agit à l’échelle millimétrique et qui résulte de la tension superficielle du liquide. Que se passerait-il si l’on pouvait créer plein de petits ménisques sur une grande surface ? Et si ces petits reliefs pouvaient s’additionner pour former des pentes, des vallées, ou même des paysages complets ... liquides ? C’est exactement ce qu’ont réussi à faire des scientifiques du laboratoire GRASP de l’Université de Liège, en collaboration avec l’Université Brown (États-Unis).

Forte de son expérience dans le domaine des liquides et plus particulièrement des interfaces liquides et disposant d'équipements de pointe pour l'impression 3D, l'équipe du GRASP a alors entrepris l'impression de plusieurs "modèles", plusieurs terrains de jeux afin d'essayer de valider leur théorie : imprimer des pics coniques en 3D en les rapprochant suffisamment les uns des autres pour arriver à déformer la surface de l'eau sur une grande échelle. "Comme on le sait, chaque pic crée autour de lui un ménisque, explique Megan Delens, physicienne. En suivant cette logique, cela veut dire que si on les aligne bien et qu'ils sont suffisamment rapprochés les uns des autres, nous devrions voir apparaître une sorte de ménisque géant, résultant de la superposition et de l'addition de chaque ménisque individuel."  L'équipe a constaté qu’ en modifiant individuellement chaque pic, la surface du liquide ne reste plus plane, mais forme une sorte de paysage liquide "programmé". "Programmé" car c'est en modifiant la hauteur ou la distance entre les piques que les chercheurs sont arrivés à concevoir des interfaces liquides qui qui suivent toute sorte de topographies : des plans inclinés, des hémisphères mais qui dessinent aussi des formes bien plus complexes.  Ils ont, par exemple, réussi à créer l’Atomium de Bruxelles en relief liquide !*

Une autoroute pour bulles et microparticules

Mais ce n’est pas tout. "Cette méthode offre aussi une nouvelle manière de déplacer et trier des objets flottants comme des billes, des gouttelettes ou des particules de plastique, reprend le Pr Nicolas Vandewalle, physicien et directeur du labo. Lorsque la surface liquide est en pente, les objets légers remontent grâce à la poussée d’Archimède, et les plus denses descendent sous l’action de leur poids, comme s’ils glissaient le long d’une colline d’eau." Cette approche complètement passive pourrait être utilisée dans la micromanipulation, le tri de particules, ou même le nettoyage des surfaces liquides par exemple, pour capter les microplastiques ou les gouttelettes d’huile à la surface de l’eau.

Les recherches futures pourraient se pencher sur des moyens plus avancés pour faire bouger les petites pointes, par exemple en utilisant des matériaux qui réagissent aux champs magnétiques ou qui peuvent changer de forme." L’idée serait de pouvoir contrôler la forme de la surface du liquide en temps réel. Ces avancées rendraient cette méthode encore plus utile pour développer de nouvelles technologies innovantes en microfluidique, conclu Megan Delens."

Référence scientifique

Delens, M., Franckart, A., Harris, D.M. et al. 3D-printed spines for programmable liquid topographies and micromanipulation. Nat Commun 16, 4348 (2025). Disponible en open access

Contacts

Megan Delens
Nicolas Vandewalle