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Instabilities in Drying Colloidal Films: Role of Surface Charge and Substrate Wettability

Cette étude démontre expérimentalement que l'interaction entre la charge de surface des nanoparticules de silice et la mouillabilité du substrat régit de manière critique la dynamique d'évaporation, la morphologie des fissures et le comportement de décollement des films colloïdaux en cours de séchage, révélant des motifs distincts pour les particules chargées négativement par rapport aux particules chargées positivement à travers diverses concentrations et types de surfaces.

Auteurs originaux : A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

Publié 2026-01-27

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : A. Madhav Sai Kumar, A. Hari Govindha, Ranajit Mondal, Kirti Chandra Sahu

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Imaginez que vous avez une goutte d'eau boueuse posée sur une table. À mesure que l'eau s'évapore, la boue ne se contente pas de sécher en un cercle plat et parfait. Au contraire, elle a tendance à s'enrouler, à se fissurer comme un lit de rivière asséché, ou à se décoller entièrement de la table. Ce document est une plongée profonde dans le pourquoi de ce phénomène, en examinant spécifiquement deux forces « cachées » : la charge électrique des minuscules particules de la boue et le caractère « collant » ou « glissant » de la surface de la table.

Voici l'histoire de leurs découvertes, décomposée en concepts simples.

Les personnages

Les chercheurs ont utilisé deux types de particules de silice (semblables à du sable) en suspension dans l'eau :

Les « Négatives » (Ludox TM50) : Ces particules possèdent une charge électrique négative. Considérez-les comme des aimants qui repoussent les autres négatifs.
Les « Positives » (Ludox CL30) : Ces particules possèdent une charge positive. Elles sont attirées par les négatives.

Ils ont déposé ces mélanges sur trois types de « tables » (substrats) :

Verre : Très mouillable (l'eau s'y étale facilement). Il possède une charge négative.
Polystyrène : Moyennement mouillable.
PTFE (Téflon) : Très hydrophobe (l'eau s'y perle). Il n'est pas collant.

L'événement principal : Comment la goutte sèche

Lorsqu'une goutte sèche, l'eau sur les bords s'évapore plus vite qu'au centre. Cela crée un courant qui pousse les particules vers le bord, comme une foule se précipitant vers la sortie. Cela crée généralement un « anneau de café » (un anneau de saleté sur le pourtour).

Cependant, les chercheurs ont découvert que ce qui se passe ensuite dépend entièrement de la chimie des particules et de la table :

1. Le « Embouteillage » vs le « Champ libre »

Sur le verre avec des particules négatives (TM50) : Comme les particules et le verre sont tous deux chargés négativement, ils se repoussent. C'est comme essayer de garer des voitures sur un parking où chaque voiture aurait un aimant sur son pare-chocs tourné vers le sol — elles ne collent pas bien.
- Résultat : Les particules forment des fissures radiales très nettes et organisées (comme les rayons d'une roue). Parce qu'elles ne collent pas fermement au verre, une fois que le film devient assez épais, l'ensemble se décolle (délamination) en larges bandes qui s'enroulent, comme un autocollant que l'on arrache d'un mur.
Sur le verre avec des particules positives (CL30) : Ici, les particules positives sont attirées par le verre négatif. C'est comme du Velcro ; elles collent fort.
- Résultat : Parce qu'elles sont attachées si fermement, elles ne peuvent pas bouger librement pour s'organiser. Au lieu de rayons nets, elles forment des fissures désordonnées et aléatoires. Elles ne se décollent pas non plus aussi facilement car le « Velcro » les maintient en place.

2. La « Table » compte

Verre (Mouillable) : La goutte s'étale largement et finement. Lorsqu'elle sèche, le film est large et mince, ce qui le rend sujet au décollement si les particules sont repoussées (comme dans le cas du TM50).
PTFE (Glissant) : La goutte reste en une boule serrée. Le séchage se déroule différemment, menant souvent à une forme de « doughnut » ou simplement à quelques grosses fissures, plutôt qu'à un réseau complet de petites fissures.

Les règles de la « Fissure »

Les chercheurs ont découvert des motifs intéressants dans la façon dont les fissures se comportent :

Plus de boue, plus grosses fissures : Si vous utilisez une goutte plus épaisse (plus dense en boue), les fissures qui se forment sont plus larges et plus longues. C'est comme faire sécher une couche épaisse de boue ; la tension s'accumule davantage, donc quand elle finit par rompre, la rupture est plus grande.
Le timing : Avec des gouttes fines, les fissures n'apparaissent qu'à la toute fin. Avec des gouttes épaisses, les fissures commencent tôt et progressent vers le centre.
Le point de décollement : Le film ne se décolle (délamination) que s'il devient assez épais pour générer suffisamment de stress interne pour surmonter la colle qui le retient à la table. Sur le verre glissant, cela arrive facilement avec des gouttes épaisses. Sur le polystyrène « collant », le film est plus épais dans une zone plus petite, donc il se décolle même avec des gouttes plus fines.

Le « Pourquoi » (Le mécanisme)

Les auteurs proposent une histoire mécanique simple :

La Traction : À mesure que l'eau s'en va, les particules sont compressées, créant une force de traction (tension) qui tente de rétrécir le film.
L'Ancrage : Le fond du film est fixé à la table.
Le Craquement : Si la force de traction devient plus forte que la « colle » (adhésion) qui retient le film à la table, le film craque.
- Si les particules repoussent la table (Négatif sur Négatif), la colle est faible. Le film craque proprement et se décolle en bandes organisées.
- Si les particules collent à la table (Positif sur Négatif), la colle est forte. Le film ne peut pas se décoller facilement, il se brise donc en un tas de fissures désordonnées.

L'essentiel

Ce document montre que vous ne pouvez pas simplement regarder une goutte qui sèche et deviner ce qui va se passer. Vous devez connaître la personnalité des particules (aiment-elles ou détestent-elles la surface ?) et la nature de la surface (est-elle collante ou glissante ?).

Particules répulsives sur une surface humide = Fissures nettes et grandes feuilles de décollement.
Particules attractives sur une surface humide = Fissures désordonnées et pas de décollement.
Gouttes plus épaisses = Fissures plus grandes et plus précoces et plus de décollement.

C'est un rappel que même dans une simple goutte d'eau qui sèche, des forces électriques invisibles et des textures de surface orchestrent une danse complexe de fissures et d'enroulements.

Résumé technique : Instabilités dans le séchage des films colloïdaux : rôle de la charge de surface et de la mouillabilité du substrat

Énoncé du problème
Le séchage des suspensions colloïdales est un processus critique dans des applications allant des peintures et revêtements aux microélectroniques et à la lithographie. Cependant, ce processus conduit souvent à des motifs de dépôt complexes accompagnés d'instabilités mécaniques telles que la fissuration, le flambage et le décollement (délamination). Bien que des études antérieures aient examiné de manière approfondie les facteurs individuels — tels que les propriétés du substrat, la taille des particules, leur forme et les conditions environnementales — il est nécessaire de comprendre l'influence couplée de la charge de surface des particules et de la mouillabilité du substrat. Plus précisément, l'interaction entre les interactions électrostatiques (particule–substrat et particule–particule) et les forces capillaires lors de l'évaporation de gouttelettes sessiles demeure un domaine clé nécessitant une exploration systématique pour expliquer la morphologie de dépôt et les motifs de fissures résultants.

Méthodologie
L'étude utilise une approche expérimentale pour étudier la dynamique d'évaporation et le dépôt final de suspensions de nanoparticules de silice.

Matériaux : Deux types de nanoparticules de silice colloïdale ont été utilisés : le Ludox TM50 (chargé négativement, diamètre de 25 nm, $\zeta = -33$ mV) et le Ludox CL30 (chargé positivement, diamètre de 12 nm, $\zeta = +44$ mV). Les suspensions ont été préparées à des concentrations allant de 0,1 % en poids à 5,0 % en poids.
Substrats : Les expériences ont été menées sur trois substrats présentant des mouillabilités distinctes : le verre hydrophile ( $\theta \approx 22^\circ$ ), le polystyrène ( $\theta \approx 77^\circ$ ) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE) hydrophobe ( $\theta \approx 102^\circ$ ).
Dispositif expérimental : Des gouttelettes de 2 $\mu$ L ont été déposées et séchées sous des conditions ambiantes contrôlées ( $24,0 \pm 1,0^\circ$ C, humidité relative de $58 \pm 10\%$ ).
Imagerie et analyse : Un système d'imagerie à double vue a été utilisé. La shadowgraphie en vue latérale avec une caméra CMOS a capturé l'évolution temporelle de la hauteur de la goutte, du diamètre de contact et de l'angle de contact. La microscopie numérique en vue de dessus (grossissement 50 $\times$ ) a enregistré les motifs de dépôt finaux.
Traitement des données : Des solveurs personnalisés basés sur Matlab et ImageJ ont été employés pour extraire les profils de goutte, quantifier l'espacement des fissures ( $\lambda$ ) et la longueur ( $l$ ), et mesurer l'étendue du décollement ( $\delta$ ) en suivant la hauteur de déflexion des bandes de film.

Résultats clés

Dynamique d'évaporation : Le mode d'évaporation est principalement dicté par la mouillabilité du substrat plutôt que par la charge des particules.
- Verre : Les gouttelettes suivent principalement un mode à rayon de contact constant (CCR - Constant Contact Radius), où la ligne de contact reste ancrée jusqu'à tard dans le processus de séchage.
- PTFE : Les gouttelettes présentent un mode prolongé à angle de contact constant (CCA - Constant Contact Angle), avec un retrait précoce de la ligne de contact.
- Polystyrène : Un mode mixte est observé, passant d'un mode CCR à une ligne de contact reculante.
- La charge des particules a eu un effet négligeable sur la cinétique globale d'évaporation, mais a influencé légèrement la durée de l'ancrage de la ligne de contact en raison des interactions électrostatiques.
Morphologie de dépôt et fissuration :
- Ludox TM50 (chargé négativement) : Sur le verre et le polystyrène, ces gouttelettes forment des dépôts classiques de type « anneau de café » avec des fissures radiales. À mesure que la concentration augmente ( $\ge 3,0$ % en poids), les fissures se propagent vers l'intérieur, vers le centre. Sur le PTFE, les dépôts sont plus uniformes avec moins de fissures, et des fissures proéminentes uniques.
- Ludox CL30 (chargé positivement) : Ces gouttelettes présentent des fissures irrégulières et orientées de manière aléatoire, souvent avec des connexions transversales perpendiculaires aux fissures radiales. Ceci est attribué aux interactions électrostatiques attractives entre les particules chargées positivement et le substrat de verre chargé négativement, entraînant un dépôt inégal des particules.
- Relations de loi de puissance : Pour le TM50 sur verre, tant l'espacement des fissures ( $\lambda$ ) que la longueur des fissures ( $l$ ) suivent des relations de loi de puissance ( $\lambda \propto \phi^{0,63}$ et $l \propto \phi^{0,4}$ ) avec la concentration de particules. Des concentrations plus élevées entraînent des fissures plus larges et plus longues.
Comportement de décollement (délamination) :
- Le décollement est fortement influencé par la concentration de particules et la mouillabilité du substrat.
- Substrats de verre : Le décollement ne se produit qu'à des concentrations plus élevées ( $\ge 3,0$ % en poids) en raison de la formation de films plus épais et latéralement étendus qui génèrent une contrainte de traction dans le plan significative.
- Substrats de polystyrène : Malgré un étalement initial plus faible, le décollement est observé à des concentrations plus basses ( $\ge 1,0$ % en poids). Cela est attribué à la formation d'un dépôt local plus épais à la même concentration par rapport au verre, créant un moment de flexion plus important.
- Substrats de PTFE : Le décollement est supprimé en raison d'un étalement réduit et d'une accumulation de contraintes plus faible.
- L'étendue du décollement ( $\delta_{avg}$ ) augmente avec la concentration de particules et est plus prononcée sur le verre que sur le polystyrène.

Signification et cadre mécaniste
L'article propose un cadre mécaniste pour expliquer les instabilités observées, en mettant l'accent sur la compétition entre les forces capillaires, les interactions interfaciales et les forces particule-substrat.

Initiation des fissures : À mesure que le solvant s'évapore, les particules se consolident et le film rétrécit. Une contrainte de traction déséquilibrée se développe car la partie supérieure du dépôt rétrécit plus rapidement que la région adhérente au substrat.
Rôle de la charge : Bien que la cinétique d'évaporation soit largement indépendante de la charge, la nature des fissures dépend de la charge.
- Interactions répulsives (TM50 sur Verre) : Les systèmes de même charge (particule négative/substrat négatif) favorisent la répulsion, conduisant à des fissures radiales bien ordonnées et, finalement, à un décollement complet lorsque la force capillaire dépasse la force de friction.
- Interactions attractives (CL30 sur Verre) : Les systèmes de charges opposées favorisent une forte adhésion et limitent la mobilité des particules, entraînant des fissures irrégulières et désordonnées ainsi qu'une suppression du décollement.
Seuil de décollement : Le décollement se produit lorsque l'énergie de déformation élastique stockée dans le film en cours de séchage excède l'énergie d'adhésion film-substrat. L'étude démontre que ce seuil est modulé par l'étalement initial (déterminé par la mouillabilité) et l'épaisseur de film résultante.

Conclusion
Cette étude élucide systématiquement l'influence couplée de la charge de surface des particules et de la mouillabilité du substrat sur le séchage des films colloïdaux. Les résultats révèlent que si la mouillabilité du substrat régit le mode d'évaporation macroscopique et l'étalement du dépôt, la charge des particules dicte l'ordre microscopique des fissures et la propension au décollement. Les résultats fournissent une base quantitative pour prédire l'espacement des fissures et l'étendue du décollement en fonction de la concentration et du type de substrat, offrant des perspectives pour contrôler les motifs de dépôt dans les processus colloïdaux.