Spreading of Large Drops on Patterned Surfaces

Étalement de grosses gouttes sur surfaces modèles

CNRS - ESPCI

Abstract

We report an experimental study of the shape of large liquid drops spreading on surfaces with patterns of wettability. The patterns are sets of disks of a material less wettable than the rest of the plane substrate. When few defects are present, or when the average distance between defects is large compared to the capillary length, the drop edge is a set of circular arcs connecting the pinning points. When the density of defects is smaller than the capillary length, the contact line shape is more complex and we analyze its morphology through a kind of box counting method. The roughness of the contact line is maximum when the average distance between defects is comparable to two times the defects size. Setting the non-wetting defects on a periodic or almost periodic array produces drops with faceted edges. The transition between circular and faceted drops can be understood as a competition between the tension of the drop edge and the local force exerted on the contact line by the defects. Although the drops are grown at a fixed flow rate, the motion of the contact line is irregular, with jumps between pinning sites. In some cases, the jumps of the contact line are correlated in space, leading to avalanchesand large scale motions of the drop.

Résumé

Nous présentons une étude expérimentale de la forme de grosses gouttes posées sur des surfaces planes de mouillabilité contrôlée. Les substrats sont en partie recouverts de disques de matériaux moins mouillants que le reste de la surface: les défauts. Lorsque peu de défauts sont présents, ou que la distance moyenne entre deux défauts est supérieure à la longueur capillaire, la ligne de contact est une succession d'arcs de cercle connectés aux points d'accrochage formés par les défauts. Lorsque la distance moyenne entre défauts est inférieure à la longueur capillaire, la forme de la ligne de contact est plus complexe et nous analysons sa morphologie en calculant le périmètre des gouttes avec des règles de longueurs variables. La rugosité de la ligne de contact est maximale pour une distance moyenne entre défauts de l'ordre de deux fois la taille des défauts. L'étalement d'un liquide sur un substrat dont les défauts sont distribués en réseau périodique, ou presque, produit une goutte à bords facettés. La transition entre gouttes facettées et gouttes circulaires peut être comprise comme la compétition entre la tension de ligne de la goutte et la force locale exercée sur la ligne par les défauts. Bien que les gouttes soient alimentées à débit constant, le mouvement de la ligne de contact est irrégulier, formé de sauts entre les différents sites d'accrochage. Sous certaines conditions, ces sauts sont corrélés en temps et en espace, conduisant à des phénomènes de type avalancheux et au déplacement à grande échelle du centre de masse de la goutte.