Des physiciens de l’Université de Liège créent des paysages liquides grâce à l’impression 3D

Et si nous pouvions transformer l’eau en paysage ? Des physiciens de l’université de Liège en Belgique, en collaboration avec l’université de Brown (États-Unis), y sont parvenus. À l’aide d’épines millimétriques imprimées en 3D, ils ont réussi à manipuler la surface de l’eau pour créer des « paysages liquides » programmables. Mais ce n’est pas tout. Ces paysages permettent aux particules de s’y déplacer. Cette découverte ouvre de nouvelles perspectives en matière de microfluidique, de transport et de tri microscopiques, voire de lutte contre la pollution marine.

Pour comprendre cette avancée, il est tout d’abord important de clarifier deux concepts clés : la tension superficielle et le ménisque (ou meniscus). La première pourrait être définie comme la couche protectrice de l’eau. C’est cette propriété de l’eau qui lui permet de résister aux forces extérieures. Pour vous donner un exemple, la tension superficielle est responsable de la capacité de certains objets légers ou même d’insectes, comme les moustiques, à flotter à la surface de l’eau sans être immergés. En physique, en revanche, les ménisques sont des courbures presque invisibles, qui se créent à la surface d’un liquide en raison de la forme de son contenant et de la capillarité de ce liquide. Pour reprendre l’exemple des scientifiques, il s’agit de la petite courbure qui se forme à une extrémité de la surface lorsque l’on essaie d’incliner l’eau dans un verre. Ceci étant compris, voyons ce qu’il y a de nouveau et comment l’impression 3D est entrée en jeu.

Paysages créés à la surface de l’eau avec des épines imprimées en 3D qui simulent des ménisques.

L’équipe du GRASP (Groupe de Recherche et d’Applications en Physique Statistique) de l’Université de Liège s’est interrogée sur la possibilité de créer des ménisques permettant de former des paysages liquides sur une surface. Pour ce faire, ils se sont tournés vers un outil de plus en plus présent dans les laboratoires : l’impression 3D. À l’aide d’une imprimante PolyJet de Stratasys, ils ont imprimé des structures lattices composées d’épines millimétriques aux extrémités arrondies et « suffisamment rapprochées pour déformer la surface de l’eau à grande échelle » sans rompre sa tension superficielle.

Chacune de ces structures a été placée dans une boîte de Petri individuelle, puis de l’eau a été ajoutée jusqu’à ce qu’elle recouvre les épines pour créer un ménisque autour d’elles. « En suivant cette logique, cela signifie que si on les aligne bien et qu’elles sont suffisamment proches les unes des autres, on devrait voir apparaître une sorte de ménisque géant, résultat du chevauchement et de l’addition de chaque ménisque individuel », explique la physicienne Megan Delens.

Grâce à cette expérience, l’équipe a découvert qu’en modifiant la hauteur et la distance entre les épines, la surface du liquide n’est plus plate. Sur la base de cette constatation, ils ont conçu plusieurs « parcelles de test » pour déformer la surface de l’eau. En modifiant chaque épine, ils ont pu créer des paysages liquides tels que des hémisphères, des plans inclinés et même l’Atomium de Bruxelles.

Et quel est l’intérêt de former des petites figures à la surface de l’eau ? Le professeur Nicolas Vandewalle, physicien et directeur du laboratoire, répond : « Cette méthode offre également une nouvelle façon de déplacer et de trier des objets flottants tels que des billes, des gouttes ou des particules de plastique. Lorsque la surface du liquide est inclinée, les objets les plus légers montent grâce à la poussée d’Archimède, et les plus denses descendent sous l’action de leur propre poids, comme s’ils glissaient sur une colline d’eau. » Les scientifiques proposent donc des applications telles que la micromanipulation ou le tri de particules. Si vous souhaitez en savoir plus sur le sujet, vous pouvez consulter la publication scientifique ICI.

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*Crédits de toutes les photos : Université de Liège / M.Delens