Thèse Étude Expérimentale et Numérique de la Dynamique Non Stationnaire du Mouillage sur des Surfaces Superhydrophobes Micro-Texturées H/F

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

Les surfaces superhydrophobes (SH) suscitent un intérêt croissant depuis plusieurs décennies en raison de leurs propriétés remarquables de répulsion de l'eau. Ces surfaces, caractérisées par des angles de contact élevés et une faible hystérésis, trouvent des applications dans des domaines variés : revêtements anti-salissures, systèmes anti-givrage, micro-fluidique, ou encore réduction de la traînée en aéronautique [1,2]. Cependant, la compréhension des mécanismes de frottement et de la dynamique de la ligne de contact reste incomplète, en particulier dans des régimes non stationnaires (impacts, vibrations, rupture de ponts capillaires).

La plupart des études existantes se concentrent sur des surfaces rigides et statiques, alors que les applications industrielles nécessitent souvent des surfaces dynamiques ou déformables. De plus, les modèles actuels peinent à décrire les comportements à haute vitesse ou sous sollicitations mécaniques externes, où les phénomènes de dissipation d'énergie et les instabilités de la ligne de contact jouent un rôle clé.

Ce projet de thèse vise à explorer la dynamique non stationnaire du mouillage sur des surfaces superhydrophobes micro-texturées, en combinant des approches expérimentales et numériques. L'objectif principal est de comprendre les mécanismes physiques gouvernant le mouvement de la ligne de contact dans des régimes transitoires, tels que :
- L'impact de gouttes sur des surfaces vibrées ou déformables.
- L'oscillation de gouttes sous l'effet de vibrations ou de gradients de pression.
- La rupture de ponts capillaires et le détachement de gouttes.

Pour cela, nous utiliserons des surfaces modèles micro-texturées, composées de réseaux dynamiques de micro-piliers, permettant un contrôle précis des paramètres géométriques et mécaniques. Ces surfaces seront soumises à des sollicitations externes (vibrations, impacts) afin d'étudier l'influence de la vitesse de la ligne de contact, de l'hystérésis, et des forces de frottement sur la dynamique du mouillage.

Les surfaces micro-texturées seront fabriquées en collaboration avec Jérôme Fresnais (Phenix) par photolithographie avec des motifs contrôlés (taille, espacement, élasticité des piliers) [3]. Une cellule expérimentale, développée en collaboration avec Céline Cohen et Xavier Noblin du laboratoire InPhyNi permettra d'observer en temps réel la dynamique de gouttes impactantes ou vibrées, à l'aide de caméras rapides et de techniques d'interférométrie pour mesurer les angles de contact dynamiques et les vitesses de la ligne de contact [4]. On étudiera les régimes d'impact de gouttes à différentes vitesses, le comportement sous vibrations (fréquence et amplitude variables) ainsi que le détachement et la rupture des ponts capillaires locaux qui jouent un rôle important dans la dynamique de la ligne de contact.

En parallèle, des simulations numériques seront réalisées en collaboration avec l'équipe du Pr. Uwe Janoske (Université de Wuppertal, Allemagne). Ces simulations permettront de modéliser la dynamique de la ligne de contact à l'échelle microscopique, en intégrant les effets de la texture de surface, de la viscosité, et des forces capillaires. Elles auront pour objectif de valider les lois expérimentales angles de contact vs vitesse de ligne de contact et d'étudier l'influence de la déformabilité des micro-piliers sur la dissipation d'énergie.

Les résultats de cette thèse peuvent avoir des retombées pour l'optimisation de surfaces anti-buée ou auto-nettoyantes, la conception de systèmes micro-fluidiques à faible frottement ou encore le développement de revêtements pour l'aéronautique ou le secteur agroalimentaire.

[1] Roach et al. (2008). Soft Matter, 4(2), 224-240.
[2] Nosonovsky et al. (2009). Current Opinion in Colloid & Interface Science, 14(4), 270-280.
[3] Bolteau et al. (2023) ACS Applied Materials & Interfaces 15.29, 35674-35683.
[4] Betti et al. (2025) Physical Review Fluids, 10(2), 024003.

Depuis plusieurs décennies, les surfaces superhydrophobes suscitent un intérêt scientifique majeur grâce à leur propriétés de mouillage remarquables, combinant des angles de contact élevés et une hystérésis réduite. Ces propriétés reposent sur une micro-texturation qui limite l'adhésion des liquides. Pourtant, malgré ces avancées, la compréhension des mécanismes de frottement et de la dynamique de la ligne de contact sur ces surfaces reste partielle, notamment dans des conditions non stationnaires comme les impacts, les vibrations ou la rupture de ponts capillaires. Les études existantes se concentrent principalement sur des surfaces rigides et statiques, laissant de côté les comportements dynamiques où la dissipation d'énergie et les instabilités jouent un rôle clé.

Résoudre des questions ouvertes sur les frottements liquides à haute vitesse et en régimes instationnaires.
Contribuer à une meilleure compréhension des phénomènes de dissipation d'énergie aux interfaces liquide-solide.

Ce projet de thèse propose une approche innovante, combinant des surfaces micro-texturées dynamiques et des méthodes expérimentales et numériques avancées. L'objectif est d'explorer les mécanismes physiques sous-jacents et de développer des modèles prédictifs.