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Tension Superficielle et Angle de Contact

On associe à une interface qui sépare deux milieux différents fluide/fluide ou fluide/solide une certaine énergie par unité de surface (exprimée en Jm⁻²) dont l’origine est la force de cohésion entre molécules identiques. Cette énergie d’interface peut être considérée comme une force par unité de longueur d’interface. Elle explique de nombreux phénomènes tel que le fait que l’eau ne mouille pas la feuille de lotus, ou qu’un objet léger puisse se maintenir à la surface d'un liquide

    
     Eau s'écoulant à la surface d'une feuille de lotus.         La tension superficielle permet à une pièce en aluminium de ne pas couler                                    au fond du verre d'eau (bien que l'aluminium soit plus dense que l’eau).

Lorsqu’une goutte de pluie se dépose sur une vitre et que le tout est plongé dans l’atmosphère terrestre, nous sommes en présence de trois phases : liquide, solide et vapeur. La goutte forme un angle qui varie selon l’étalement. L’angle entre le liquide et le solide se nomme l’angle de contact. Cet angle de contact noté θ dépend de la tension de surface liquide/vapeur noté γ et des tension interfaciales solide/liquide et solide/vapeur notées γ_sl et γ_sv respectivement. Ces tensions interfaciales et la tension de surface agissent sur la ligne de contact (ligne triple solide, liquide et vapeur). La tension interfaciale tend donc à minimiser la surface de l’interface, et la tension de surface tend à conserver la forme sphérique d’une goutte posée sur une surface solide.

Goutte de liquide posée sur une surface solide en formant un angle de contact à l’équilibre θ_e .
Lorsque γ_sv > γ_sl + γ, la surface est dite de haute énergie et le liquide tend à s’étaler sur celle-ci. On parle dans ce cas de surface mouillante ou hydrophile. L’angle de contact est inférieur à 90^◦. Dans le cas où θ=0^◦, le mouillage et total.
Goutte aplatie sur la surface solide, θ=0^◦, cas d’un mouillage total.
Inversement, si γ_sl > γ_sv + γ, le liquide tend à former des petites gouttelettes dont les angles de contact sont beaucoup plus grands et supérieurs à 90^◦. Le mouillage dans ce cas est partiel. Afin de déterminer si une goutte va s’étaler ou non sur un substrat, il faut considérer le paramètre d’étalement S qui représente la différence d’énergie entre un substrat sec et mouillé. Ce paramètre est défini par la relation suivante :
S = γ_sv − (γ_sl + γ)

Si S > 0, le mouillage est total et le liquide s’étale complètement sur la surface. Au contraire, si S < 0, le mouillage est partiel et la goutte forme à l’équilibre une calotte sphérique.

Étalement d’une goutte d’eau sur une surface solide. (a) : Cas d’un mouillage partiel. (b) : Cas d’un mouillage total.
Lorsque la goutte est statique et forme un angle à l’équilibre noté θ_e , la somme de la tension de surface et des tensions interfaciales à l’équilibre et projetée sur la ligne triple nous conduit à la relation de Young-Dupré suivante :

Cette équation n’est pas très efficace et ne permet pas facilement de prévoir la valeur de l’angle de contact d’équilibre en raison du faite que les tensions interfaciales γ_sl et γ_sv sont difficiles à mesurer directement (mesurées à l’aide d’un goniomètre) et que les surfaces réelles présentent des imperfections.