Comprendre les énergies de surfaces

Qu’est-ce que l’énergie de surface ?

L’énergie de surface est une énergie “bonus” que possèdent les atomes en surface d’un matériau, car ils ont moins de voisins que ceux à l’intérieur. Cela influence fortement la forme et le comportement des objets, surtout à petite échelle, et aide à expliquer et prédire le comportement des matériaux dans diverses situations.

L’énergie de surface est une bonne mesure de la facilité ou de la difficulté qu’un matériau a à adhérer à une surface. Pour bien comprendre cette dernière, une notion est très importante : le mouillage.

Qu’est-ce que le mouillage ?

Le « mouillage » se produit lorsqu’un liquide s’étale sur la surface d’un solide. Il permet à la colle d’entrer en contact étroit avec le matériau à coller. Selon l’énergie de surface du matériau, la colle peut s’étaler naturellement ou former des gouttes. Un bon mouillage est essentiel pour un collage efficace.

Lorsque l’on dépose une goutte de liquide sur une surface, la façon dont elle s’étale dépend de l’énergie de surface du liquide et de la surface solide.

À titre d’exemple, l’eau forme des gouttes sur une feuille de lotus (qui a une faible énergie de surface), mais s’étale sur du verre propre (qui a une énergie de surface plus élevée).

La facilité avec laquelle une colle mouille la surface d’un matériau dépend donc de l’énergie de surface de ce matériau, mesurée en unités d’énergie par surface. À présent, voyons comment se mesure l’énergie de surface.

Mesurer l’énergie de surface

L’énergie de surface d’un matériau est mesurée en unités d’énergie par surface, comme le dyne (1 dyne/cm = 1 mJ/m²).

L’énergie de surface est souvent mesurée avec de l’eau. Lorsqu’une goutte d’eau est déposée sur une surface, elle perle plus ou moins selon l’énergie de surface. Si l’énergie de surface est nulle, la goutte sera une sphère parfaite. Si elle est infiniment élevée, la goutte formera un film uniforme. Entre ces extrêmes, on peut mesurer l’angle au bord de la goutte : 0° pour un film et 180° pour une sphère parfaite.

Haute énergie de surface

De 100 à 1000 dynes/cm

Ci-contre, une goutte d’eau déposée sur un matériau à haute énergie de surface forme un film. L’eau s’étale parfaitement dès l’instant où elle est déposée.

Haute énergie

Moyenne énergie de surface

36 à ≈ 100 dynes/cm

Ci-contre, une goutte d'eau déposée sur un matériau à moyenne énergie de surface présente moins de film. L'eau s'étale avec plus de difficulté dès l'instant où elle est déposée.

Moyenne énergie

Basse énergie de surface

Inférieur à 36 dynes/cm

Ci-contre, une goutte d'eau déposée sur un matériau à basse énergie de surface présente plus de "film", mais forme une sphère parfaite. L'eau ne s'étale pas et reste à l'endroit où on l'a déposée.

Basse énergie

Haute énergie de surface

100 à 1000 dynes/cm

Sur un matériau à haute énergie de surface l’eau s’étale parfaitement dès l’instant où elle est déposée.

Moyenne énergie de surface

De 36 à ≈ 100 dynes/cm

Sur un matériau à moyenne énergie de surface l’eau s’étale avec plus de difficulté dès l’instant où elle est déposée.

Basse énergie de surface

Inférieur à 36 dynes/cm

Sur un matériau à basse énergie de surface l’eau ne s’étale pas et reste à l’endroit où on l’a déposée.

Quelques exemples