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    Optimisation de la conception à multiples facettes pour les surfaces superomniphobes

    La vidéo montre le mécanisme de contact pilier (PC) pour une géométrie doublement réentrante à θ° =60° une propriété de surface identifiée dans l'étude. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav7328

    En science des matériaux, les surfaces qui repoussent fortement les liquides à faible tension superficielle sont classées «superoléophobes, " tandis que les répulsifs liquides à haute tension superficielle sont " superhydrophobes " et les surfaces qui présentent les deux caractéristiques sont " super omniphobes ". Les surfaces superomniphobes sont aux frontières de la conception de surfaces pour une vaste gamme d'applications. Dans une étude récente, J. R. Panter et ses collègues du Department of Physics et de Procter and Gamble Co. au Royaume-Uni et aux États-Unis ont développé des méthodes de calcul pour développer systématiquement trois propriétés de mouillage de surface clés. Ceux-ci comprenaient l'hystérésis de l'angle de contact, pression critique et une barrière de mouillage énergétique minimale. Dans l'étude, les scientifiques ont développé des modèles quantitatifs et corrigé des hypothèses inexactes dans les modèles existants.

    Panter et al. ont combiné ces analyses simultanément pour démontrer la puissance de la stratégie d'optimisation des structures pour des applications en distillation membranaire et en microfluidique numérique. En couplant de manière antagoniste les propriétés de mouillage, les scientifiques ont mis en œuvre une approche à multiples facettes pour concevoir de manière optimale des surfaces superomniphobes. En utilisant des algorithmes génétiques, ils ont facilité une optimisation efficace pour des accélérations allant jusqu'à 10, 000 fois. Les résultats de l'étude sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

    Les surfaces superomniphobes ont des micro et nanotextures physiques qui permettent aux liquides à faible tension superficielle (huiles et alcools) de rester en suspension sur une structure de surface remplie de vapeur. Cette capacité d'élimination des liquides peut favoriser une mobilité efficace des gouttelettes avec une faible traînée visqueuse, avec un potentiel de transformation dans un large éventail d'applications. Il s'agit notamment de technologies durables pour la purification de l'eau, stratégies antimicrobiennes en biomédecine, techniques de revêtement anti-empreintes digitales, réduction des déchets alimentaires et technologies biochimiques polyvalentes, à l'échelle mondiale.

    GAUCHE :Configuration de la surface de simulation. Illustration du répétiteur de simulation 3D, avec coupe transversale 2D montrant les paramètres structurels étiquetés. A DROITE :Quantification et mécanismes conduisant au CAH (contact angle hysteresis) pour les géométries réentrantes et doublement réentrantes à pression nulle appliquée. (A) (i) Dépendance du CAH à la fois sur la fraction de surface Fr et la hauteur totale de la calotte Dr. Les symboles indiquent le mécanisme de dépinçage lors du recul, avec des diamants violets indiquant un mécanisme hybride. (ii et iii) Comparaison du pont-, bord-, et les modèles de recul des lèvres (lignes pleines, code couleur) par rapport au θr simulé (points de données) ; exemples montrés avec Fr variant à Dr fixe =0,05 et 0,35. Les barres d'erreur de ±1° dans les données de simulation sont trop petites pour être vues. (B) visualisation 3D de l'interface liquide-vapeur avançant (montrée en bleu); le sens d'avancement est indiqué par une flèche noire. Les lignes noires et rouges indiquent les sections transversales 2D du centre et des bords qui sont également présentées (à droite). (C) (i à iv) Visualisations des quatre principaux mécanismes de recul. La direction du recul est indiquée par des flèches noires. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav7328

    Des percées récentes en microfabrication ont permis la formation de structures complexes à l'échelle micrométrique, y compris la technologie d'impression tridimensionnelle (3-D), fluidisation de micropiliers polymères et méthodes lithographiques. Malgré ces techniques très polyvalentes, les scientifiques et les physiciens des matériaux cherchent toujours à comprendre comment concevoir avec précision des structures de surface pour des performances optimales dans des applications réelles. Une conception omniphobe réussie doit démontrer trois propriétés de mouillage clés pour inclure (1) un faible angle de contact pour une mobilité maximale des liquides, (2) pression critique élevée pour la stabilité de l'état superoléophobe, et (3) une barrière énergétique élevée à l'échec. En raison de la complexité de la conception de la surface, l'union des études computationnelles et expérimentales peut être coûteuse et longue pour comprendre cette base.

    Dans le travail present, Panter et al. a surmonté les défis de la conception de propriétés de mouillage superomniphobes en concevant d'abord des stratégies de calcul pour comprendre l'effet que les paramètres structurels ont eu sur les trois critères définis. Pour illustrer l'importance de l'optimisation à multiples facettes, ils ont utilisé deux exemples pertinents de purification de l'eau par distillation membranaire et microfluidique numérique à base de gouttelettes. Les scientifiques ont développé un algorithme génétique pour effectuer efficacement des optimisations simultanées avec une vitesse allant jusqu'à 10, 000 fois. Cette approche polyvalente peut être couplée à des innovations récentes dans les techniques complexes de microfabrication de surfaces pour offrir une approche transformatrice de la conception de surfaces.

    Analyse de pression critique pour les géométries réentrantes et doublement réentrantes. (A) Graphiques de contour de la variation de ΔPc avec Fr et Hr pour les géométries réentrantes (i) et doublement réentrantes (ii). Les points de données marquent la hauteur critique à laquelle le mécanisme de défaillance passe de la défaillance de la base (BF) à la défaillance du capuchon fixé (DCF) ou à la défaillance du capuchon épinglé (PCF), et les barres d'erreur indiquent l'incertitude de cette hauteur due à la largeur diffuse de l'interface. Les lignes blanches pleines et pointillées indiquent la hauteur critique basée sur le modèle capillaire et le modèle 2D, respectivement. (B) Le modèle s'adapte à Pc des mécanismes de défaillance du capuchon à Hr =0,25 pour les géométries réentrantes (i) et doublement réentrantes (ii). (C à E) Les trois mécanismes de défaillance représentés en 3D, avec les sections transversales diagonales associées. Les morphologies des liquides à pression critique sont représentées en bleu, la phase vapeur est représentée en blanc, et l'interface est indiquée par une ligne continue noire. Les régions rouges montrent comment le ménisque instable évolue lorsque ΔP augmente au-dessus de ΔPc. (D et E) Vues sous-cap, mettant en évidence les formes des lignes de contact à la pression critique. (F) Détails des modèles de ponts capillaires 3D horizontaux (3DD) et 3D diagonaux (3DH) utilisés, montrant les circonférences intérieure et extérieure (bleu) par rapport à la configuration du système. L'illustration 3D compare l'interface liquide-vapeur simulée (bleu clair) au modèle capillaire horizontal (bleu foncé). Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav7328

    Les scientifiques ont d'abord simulé l'avancée et le recul de l'interface liquide-vapeur le long d'une seule rangée de structures de surface pour obtenir leurs angles de contact respectifs et leur hystérésis d'angle de contact (CAH, c'est à dire., la différence entre les angles de contact d'avance et de recul). Ils ont disposé les dimensions variables dans un réseau carré et ont observé que l'hystérésis était identique pour les géométries réentrantes et doublement réentrantes (géométries à très faible fraction de contact liquide-solide). A l'aide de la simulation, les scientifiques ont observé quatre mécanismes de recul dominants pour les décrire et les modéliser dans le présent travail. Après, en utilisant les nouveaux modèles Panter et al. testé qualitativement les modèles de recul proposés dans les études précédentes pour vérifier leur exactitude. Ils ont analysé les changements énergétiques pour obtenir l'angle auquel le recul est devenu énergétiquement favorable pour former l'angle de recul optimal.

    Contrairement aux simulations de CAH, le deuxième paramètre d'intérêt sur la pression critique était sensible à la géométrie de surface réentrante ou double réentrante. Les scientifiques ont observé trois mécanismes de défaillance dans l'étude de pression critique et les ont quantifiés en fonction des paramètres structuraux. Lorsqu'ils ont comparé la quantification dans le présent travail avec les données de simulation, ils ont détecté que les modèles de pression critique dominants et largement utilisés introduits dans des études précédentes étaient considérablement simplifiés. Par exemple, une mauvaise description de la morphologie de l'interface liquide-vapeur a incité les structures fabriquées à être plusieurs fois plus petites et mécaniquement plus faibles que nécessaire. En développant un modèle plus sophistiqué dans le présent travail, Panter et al. obtenu à la fois une précision quantitative des pressions critiques et modélisé avec succès les morphologies interfaciales complexes souhaitées.

    Démontrer un mécanisme de défaillance identifié dans l'étude, la vidéo montre le mécanisme de contact de base (BC) pour une géométrie doublement réentrante à ° =60°. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav7328

    Lors de l'étude du troisième paramètre sur les mécanismes de transition énergétique minimale, les scientifiques ont identifié trois mécanismes de défaillance. Par exemple, une défaillance de conception de surface peut être déclenchée par un large éventail de perturbations supplémentaires, y compris l'écoulement, vibration, évaporation, condensation, impact de gouttelettes, des champs électriques et magnétiques changeants ou des fluctuations thermiques à l'échelle nanométrique. Dans les applications du monde réel, la défaillance pourrait être déclenchée par une combinaison de perturbations. Pour fabriquer une texture résistante à la rupture, Panter et al. ont donc combiné la voie d'énergie maximale (MEP) pour tenir compte du pire des cas de défaillances combinées. Ils ont identifié trois voies de transition comme (1) contact de base (BC), (2) contact pilier (PC) et (3) contact capuchon (CC), puis quantifié chaque barrière à travers l'espace des paramètres structurels. Après, ils ont évalué le mécanisme de transition énergétique le plus probable pour une géométrie de surface donnée.

    Les scientifiques ont ensuite procédé à une optimisation simultanée des caractéristiques structurelles identifiées pour maximiser la pression critique, minimiser la barrière énergétique et maximiser le CAH. Pour ça, ils ont réalisé une conception optimale de deux membranes pour des applications sur la purification de l'eau et la microfluidique numérique. Panter et al. ont également montré qu'un algorithme génétique pouvait être utilisé pour localiser efficacement la conception optimale dans l'espace des paramètres et concevoir des structures plus complexes pour des applications de mouillabilité spéciales.

    Optimisation simultanée des trois propriétés de mouillage pour la distillation membranaire et les applications de microfluidique numérique. (A) (i) tracé de contour 3D de la fonction de notation de la distillation membranaire à Hr fixe =0,3, Ar =0,05, et tr =0,05. Chaque surface est une surface de score constant. (ii) Une tranche 2D du tracé de contour 3D au Lr optimal =0,17. Les points de données carrés montrent l'initiale (blanc), seconde (gris clair), cinquième (gris foncé), et les générations finales (noires) de l'algorithme génétique, projeté sur le plan 2D. (B) Fonction de scoring pour l'application de microfluidique numérique, projeté sur le plan Hr =0,3 à B fixe =100 m, montrant également les générations successives de la population d'algorithmes génétiques. Crédit :Avancées scientifiques, doi:10.1126/sciadv.aav7328

    De cette façon, les scientifiques ont développé des techniques de calcul très polyvalentes pour étudier toute surface à structure mésoscopique en contact avec plusieurs phases fluides. La stratégie d'optimisation à multiples facettes peut être encore améliorée en termes de fiabilité et d'évolutivité pour s'associer aux progrès récents de la fabrication, notamment l'impression 3D et les méthodes lithographiques, pour concevoir efficacement des surfaces superomniphobes du monde réel.

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