B Le mouillage

1 Mouillage total

Revenons au cas des 3 phases fluides. La relation 4.1 ne peut être satisfaite que si on a :

$$\gamma_{ij} \leqslant \gamma_{jk} + \gamma_{ki}\,.$$ (4.4)

Dans le cas où l'une des tensions de surface est trop grande ( $\gamma_{ij} > \gamma_{jk} + \gamma_{ki}$), cela signifie que l'énergie de l'interface $i/j$ est plus grande que celle d'une interface $i/k$ suivie d'une interface $k/j$. À l'équilibre, on n'a donc pas de ligne de contact triphasique, mais on a systématiquement une couche de la phase $k$ entre les phases $i$ et $j$. On dit que la phase $k$ mouille l'interface $i/j$ : il y a mouillage total.

2 Mouillage partiel

Dans le cas où on a deux phases fluides et une phase solide, la loi d'Young (4.2) impose :

$$\gamma_{SL} - \gamma_{LV} \leqslant \gamma_{SV} \leqslant \gamma_{SL} + \gamma_{LV}\,.$$ (4.5)

Dans le cas où on a $\gamma_{SV} > \gamma_{SL} + \gamma_{LV}$, le liquide mouille le solide : $\theta = 0$. On dit que le liquide est parfaitement mouillant^4.1.

Si on a $0 < \theta < \cfrac{\pi}{2}$, le liquide mouille partiellement le solide. Sinon, quand $\theta > \cfrac{\pi}{2}$, il est non mouillant.

Les propriétés de mouillage de l'interface dépendent de la nature du liquide, mais surtout de la nature de la surface solide :

• les surfaces de haute énergie (métaux, céramiques, oxydes, verres), avec leurs importantes énergies de cohésion, sont en général mouillées par les liquides lorsqu'elles sont propres ;
• les surfaces de basse énergie (solides organiques), ayant de moindres énergies de cohésion (dues aux forces de Van der Waals), sont moins facilement mouillées : par exemple, $\theta > \frac{\pi}{2}$ sur l'interface eau/Téflon ;
• les surfaces fonctionnalisées spécialement dans ce but peuvent être très difficiles à mouiller : ainsi, sur du verre silanisé (sur lequel on a déposé des silanes, par exemple R-SiH$_{3}$ ou R-SiH$_2$OH), l'angle $\theta$ de l'interface eau/verre peut dépasser 120°.

Lorsque l'on dépose du liquide sur une surface solide, son comportement dépend du type de mouillage.

• Si on a mouillage total, avec $\theta = 0$, ou mouillage partiel $\left(\theta < \frac{\pi}{2}\right)$, le liquide maximise sa surface de contact avec le solide, qui est plus favorable que l'interface solide/gaz. Il s'étale donc, formant des flaques. Cependant, il ne peut s'étaler indéfiniment, car sa surface de contact avec l'air deviendrait trop grande. C'est pourquoi la hauteur de la flaque ne peut descendre en-deçà d'un minimum, de l'ordre de la longueur capillaire (sauf quand on a mouillage total, l'étalement maximal devenant favorable).
• Si le liquide est non mouillant sur la surface solide, c'est que le contact entre solide et gaz est plus favorable que le contact solide/liquide. Le liquide a alors un comportement très différent : sous forme de gouttes ou de flaques, il « roule » quasiment sur la surface. Restant toujours d'un bloc, il ne laisse pas de traces.

3 Transition de mouillage

Dans tous les cas précédemment considérés, on peut considérer la grandeur $S$, appelée paramètre d'étalement :

$$S = \gamma_{ij} - \gamma_{jk} - \gamma_{ki}\,.$$ (4.6)

Les phénomènes de mouillage total apparaissent lorsque $S$ devient positif. Cependant, celui-ci peut varier avec la température. Lorsqu'il devient positif à une température $T_m$, il se produit une transition de mouillage, similaire à une transition de phase.

L'expérience de Moldover et Cahn, réalisée en 1980, a permis d'observer pour la première fois une telle transition : du méthanol et du cyclohexane sont placés dans un récipient. Ces liquides étant non miscibles, le méthanol est au-dessus du cyclohexane. Cependant, au-delà d'une certaine température, un fine couche de cyclohexane vient se placer au-dessus du méthanol, malgré la pesanteur défavorable : le cyclohexane mouille alors l'interface méthanol/air.

Notes

... mouillant^4.1

L'autre cas, où la vapeur mouille le solide, est beaucoup plus rare, mais similaire.