Force agissant le long d'une ligne sur la surface du liquide

Mesurée en newtons par mètre (N/m) ou en dynes par centimètre (dyn/cm). Si vous imaginez un cadre avec un côté mobile en contact avec un film liquide, la tension superficielle est la force qui tire sur ce côté divisée par sa longueur. C'est la définition mécanique.

Formule : γ = F/L où F = force, L = longueur du bord

Exemple : Eau à 20°C = 72.8 mN/m signifie 0.0728 N de force par mètre de bord

Énergie nécessaire pour créer une nouvelle surface

Mesurée en joules par mètre carré (J/m²) ou en ergs par centimètre carré (erg/cm²). La création d'une nouvelle surface nécessite un travail contre les forces intermoléculaires. Numériquement identique à la tension superficielle mais représente la perspective de l'énergie plutôt que celle de la force.

Formule : γ = E/A où E = énergie, A = augmentation de la surface

Exemple : Eau à 20°C = 72.8 mJ/m² = 72.8 mN/m (même nombre, double interprétation)

Les forces intermoléculaires déterminent le comportement de la surface

Cohésion : attraction entre molécules identiques (liquide-liquide). Adhésion : attraction entre molécules différentes (liquide-solide). Forte cohésion → forte tension superficielle → les gouttelettes perlent. Forte adhésion → le liquide s'étale (mouillage). L'équilibre détermine l'angle de contact et l'action capillaire.

Angle de contact θ : cos θ = (γ_SV - γ_SL) / γ_LV (équation de Young)

Exemple : L'eau sur le verre a un θ faible (adhésion > cohésion) → s'étale. Le mercure sur le verre a un θ élevé (cohésion >> adhésion) → perle.

Premières expériences quantitatives sur la tension superficielle

Le physicien allemand Segner a étudié les aiguilles flottantes et a observé que les surfaces de l'eau se comportent comme des membranes tendues. Il a calculé les forces mais n'avait pas de théorie moléculaire pour expliquer le phénomène.

Équation de Young pour l'angle de contact

Le polymathe britannique Young a dérivé la relation entre la tension superficielle, l'angle de contact et le mouillage : cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Cette équation fondamentale est encore utilisée aujourd'hui en science des matériaux et en microfluidique.

Équation de Young-Laplace pour la pression

Laplace a dérivé ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂), montrant que les interfaces courbes ont des différences de pression. Explique pourquoi les petites bulles ont une pression interne plus élevée que les grandes, ce qui est essentiel pour comprendre la physiologie pulmonaire et la stabilité des émulsions.

Théorie moléculaire de la tension superficielle

Le physicien néerlandais van der Waals a expliqué la tension superficielle à l'aide des forces intermoléculaires. Ses travaux sur l'attraction moléculaire lui ont valu le prix Nobel de 1910 et ont jeté les bases de la compréhension de la capillarité, de l'adhésion et du point critique.

Monocouches et chimie des surfaces

Langmuir a étudié les films moléculaires sur les surfaces de l'eau, créant le domaine de la chimie des surfaces. Ses travaux sur les tensioactifs, l'adsorption et l'orientation moléculaire lui ont valu le prix Nobel de 1932. Les films de Langmuir-Blodgett portent son nom.

La tension superficielle détermine le mouillage, l'étalement et l'adhésion :

• Formulation de peinture : Ajuster γ à 25-35 mN/m pour un étalement optimal sur les substrats
• Impression à jet d'encre : L'encre doit avoir une γ < substrat pour le mouillage (typiquement 25-40 mN/m)
• Traitement corona : Augmente l'énergie de surface des polymères de 30 → 50+ mN/m pour l'adhésion
• Revêtements en poudre : Une faible tension superficielle aide à l'égalisation et au développement de la brillance
• Revêtements anti-graffiti : Une faible γ (15-20 mN/m) empêche l'adhésion de la peinture
• Contrôle qualité : Tensiomètre à anneau de du Noüy pour la cohérence d'un lot à l'autre

Les détergents agissent en réduisant la tension superficielle :

• Eau pure : γ = 72.8 mN/m (ne pénètre pas bien les tissus)
• Eau + savon : γ = 25-30 mN/m (pénètre, mouille, élimine l'huile)
• Concentration Micellaire Critique (CMC) : γ chute brusquement jusqu'à la CMC, puis se stabilise
• Agents mouillants : Les nettoyants industriels réduisent γ à <30 mN/m
• Liquide vaisselle : Formulé à γ ≈ 27-30 mN/m pour éliminer la graisse
• Pulvérisateurs de pesticides : Ajoutent des tensioactifs pour réduire γ et améliorer la couverture des feuilles

La tension interfaciale entre le pétrole et l'eau affecte l'extraction :

• Tension interfaciale huile-eau : Typiquement 20-50 mN/m
• Récupération assistée du pétrole (EOR) : Injecter des tensioactifs pour réduire γ à <0.01 mN/m
• Faible γ → les gouttelettes d'huile s'émulsifient → s'écoulent à travers la roche poreuse → récupération accrue
• Caractérisation du pétrole brut : La teneur en aromatiques affecte la tension superficielle
• Flux dans les pipelines : Une γ plus faible réduit la stabilité de l'émulsion, facilite la séparation
• La méthode de la goutte pendante mesure γ à la température/pression du réservoir

La tension superficielle est essentielle aux processus vitaux :

• Surfactant pulmonaire : Réduit la γ alvéolaire de 70 à 25 mN/m, empêchant l'effondrement
• Nouveau-nés prématurés : Syndrome de détresse respiratoire dû à un surfactant insuffisant
• Membranes cellulaires : γ de la bicouche lipidique ≈ 0.1-2 mN/m (très faible pour la flexibilité)
• Plasma sanguin : γ ≈ 50-60 mN/m, augmentée dans les maladies (diabète, athérosclérose)
• Film lacrymal : Structure multicouche avec une couche lipidique réduisant l'évaporation
• Respiration des insectes : Le système trachéen dépend de la tension superficielle pour empêcher l'entrée d'eau

Les gerris (Gerridae) exploitent la haute tension superficielle de l'eau (72.8 mN/m) pour supporter 15 fois leur poids corporel. Leurs pattes sont recouvertes de poils cireux superhydrophobes (angle de contact >150°). Chaque patte crée une dépression à la surface de l'eau, et la tension superficielle fournit la force ascendante. Si vous ajoutez du savon (réduisant γ à 30 mN/m), ils coulent immédiatement !

La tension superficielle agit pour minimiser la surface pour un volume donné. La sphère a la surface minimale pour n'importe quel volume (inégalité isopérimétrique). Les bulles de savon le démontrent magnifiquement : l'air à l'intérieur pousse vers l'extérieur, la tension superficielle tire vers l'intérieur, et l'équilibre crée une sphère parfaite. Les bulles non sphériques (comme les cubiques dans des cadres en fil de fer) ont une énergie plus élevée et sont instables.

Les poumons des nouveau-nés contiennent du surfactant pulmonaire (phospholipides + protéines) qui réduit la tension superficielle alvéolaire de 70 à 25 mN/m. Sans lui, les alvéoles s'effondrent lors de l'expiration (atélectasie). Les nouveau-nés prématurés manquent de surfactant suffisant, ce qui provoque le syndrome de détresse respiratoire (SDR). Avant la thérapie par surfactant synthétique (années 1990), le SDR était l'une des principales causes de décès néonatal. Aujourd'hui, les taux de survie dépassent 95 %.

Versez du vin dans un verre et observez : des gouttelettes se forment sur les parois, montent vers le haut, puis retombent – les « larmes du vin ». C'est l'effet Marangoni : l'alcool s'évapore plus vite que l'eau, créant des gradients de tension superficielle (γ varie spatialement). Le liquide s'écoule des régions de faible γ vers les régions de haute γ, tirant le vin vers le haut. Lorsque les gouttelettes deviennent assez lourdes, la gravité l'emporte et elles tombent. Les flux de Marangoni sont essentiels en soudage, en revêtement et en croissance cristalline.

Les molécules de savon sont amphiphiles : une queue hydrophobe (déteste l'eau) + une tête hydrophile (aime l'eau). En solution, les queues sortent de la surface de l'eau, perturbant les liaisons hydrogène et réduisant γ de 72 à 25-30 mN/m. À la Concentration Micellaire Critique (CMC), les molécules forment des micelles sphériques avec les queues à l'intérieur (piégeant l'huile) et les têtes à l'extérieur. C'est pourquoi le savon élimine la graisse : l'huile est solubilisée à l'intérieur des micelles et s'en va au lavage.

Laissez tomber un cristal de camphre sur l'eau et il filera à la surface comme un petit bateau. Le camphre se dissout de manière asymétrique, créant un gradient de tension superficielle (γ plus élevé derrière, plus faible devant). La surface tire le cristal vers les régions de haute γ – un moteur à tension superficielle ! Cela a été démontré par le physicien C.V. Boys en 1890. Les chimistes modernes utilisent une propulsion Marangoni similaire pour les microrobots et les véhicules de livraison de médicaments.

Il s'agit d'une relation thermodynamique fondamentale, pas d'une coïncidence. Dimensionnellement : [N/m] = (kg·m/s²)/m = kg/s² et [J/m²] = (kg·m²/s²)/m² = kg/s². Elles ont des dimensions de base identiques ! Physiquement : créer 1 m² de nouvelle surface nécessite un travail = force × distance = (γ N/m) × (1 m) × (1 m) = γ J. Donc, la γ mesurée en tant que force/longueur est égale à la γ mesurée en tant qu'énergie/surface. Eau à 20°C : 72.8 mN/m = 72.8 mJ/m² (même nombre, double interprétation).

Cohésion : attraction entre molécules identiques (eau-eau). Adhésion : attraction entre molécules différentes (eau-verre). Forte cohésion → forte tension superficielle → les gouttelettes perlent (mercure sur verre). Forte adhésion par rapport à la cohésion → le liquide s'étale (eau sur du verre propre). L'équilibre détermine l'angle de contact θ via l'équation de Young : cos θ = (γ_SV - γ_SL)/γ_LV. Le mouillage se produit lorsque θ < 90° ; le perlage lorsque θ > 90°. Les surfaces superhydrophobes (feuille de lotus) ont un θ > 150°.

Les molécules de savon sont amphiphiles : une queue hydrophobe + une tête hydrophile. À l'interface eau-air, les queues s'orientent vers l'extérieur (évitant l'eau), les têtes vers l'intérieur (attirées par l'eau). Cela perturbe les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau à la surface, réduisant la tension superficielle de 72.8 à 25-30 mN/m. Une γ plus faible permet à l'eau de mouiller les tissus et de pénétrer la graisse. À la Concentration Micellaire Critique (CMC, typiquement 0.1-1%), les molécules forment des micelles qui solubilisent l'huile.

Une température plus élevée donne aux molécules plus d'énergie cinétique, affaiblissant les attractions intermoléculaires (liaisons hydrogène, forces de van der Waals). Les molécules de surface ont une traction nette vers l'intérieur plus faible → une tension superficielle plus faible. Pour l'eau : γ diminue d'environ 0.15 mN/m par °C. À la température critique (374°C pour l'eau, 647 K), la distinction liquide-gaz disparaît et γ → 0. La règle d'Eötvös le quantifie : γ·V^(2/3) = k(T_c - T) où V = volume molaire, T_c = température critique.

Quatre méthodes principales : (1) Anneau de du Noüy : Un anneau en platine est tiré de la surface, la force est mesurée (la plus courante, ±0.1 mN/m). (2) Plaque de Wilhelmy : Une fine plaque suspendue touchant la surface, la force est mesurée en continu (la plus haute précision, ±0.01 mN/m). (3) Goutte pendante : La forme de la goutte est analysée optiquement à l'aide de l'équation de Young-Laplace (fonctionne à hautes T/P). (4) Ascension capillaire : Le liquide monte dans un tube étroit, la hauteur est mesurée : γ = ρghr/(2cosθ) où ρ = densité, h = hauteur, r = rayon, θ = angle de contact.

ΔP = γ(1/R₁ + 1/R₂) décrit la différence de pression à travers une interface courbe. R₁ et R₂ sont les principaux rayons de courbure. Pour une sphère (bulle, goutte) : ΔP = 2γ/R. Les petites bulles ont une pression interne plus élevée que les grandes. Exemple : une goutte d'eau de 1 mm a un ΔP = 2×0.0728/0.0005 = 291 Pa (0.003 atm). Cela explique pourquoi les petites bulles dans la mousse rétrécissent (le gaz diffuse des petites vers les grandes) et pourquoi les alvéoles pulmonaires ont besoin de surfactant (réduit γ pour qu'elles ne s'effondrent pas).

Mercure : Forte cohésion (liaisons métalliques, γ = 486 mN/m) >> faible adhésion au verre → angle de contact θ ≈ 140° → perle. Eau : Cohésion modérée (liaisons hydrogène, γ = 72.8 mN/m) < forte adhésion au verre (liaisons hydrogène avec les groupes -OH de surface) → θ ≈ 0-20° → s'étale. Équation de Young : cos θ = (γ_solide-vapeur - γ_solide-liquide)/γ_liquide-vapeur. Lorsque l'adhésion > cohésion, cos θ > 0, donc θ < 90° (mouillage).

Non. La tension superficielle est toujours positive – elle représente le coût énergétique pour créer une nouvelle surface. Une γ négative signifierait que les surfaces s'étendraient spontanément, violant la thermodynamique (l'entropie augmente, mais la phase de volume est plus stable). Cependant, la tension interfaciale entre deux liquides peut être très faible (proche de zéro) : dans la récupération assistée du pétrole, les tensioactifs réduisent la γ huile-eau à <0.01 mN/m, provoquant une émulsification spontanée. Au point critique, γ = 0 exactement (la distinction liquide-gaz disparaît).