(Phys.org) — Des chercheurs en ingénierie du Rensselaer Polytechnic Institute ont mis au point un nouveau drapé en graphène, le matériau le plus fin connu de la science, qui peut améliorer les propriétés de résistance à l'eau des matériaux aux surfaces rugueuses.
Ces "nanodrapages" font moins d'un nanomètre d'épaisseur, Chimiquement inerte, et fournir une couche de protection sans modifier les propriétés du matériau sous-jacent. L'équipe de chercheurs, dirigé par le professeur Rensselaer Nikhil Koratkar, a démontré comment les gouttelettes d'eau rencontrent beaucoup moins de friction lorsqu'elles se déplacent sur une surface recouverte d'un nanodrap.
Cette innovation a le potentiel de bénéficier aux dispositifs de laboratoire sur puce, dosages à haut débit, surfaces autonettoyantes, et de nombreuses autres applications nécessitant le mouvement de gouttes liquides sur des surfaces solides.
"Les nanochamps de graphène sont les plus fins, la plupart des rideaux transparents que nous pouvons imaginer. En plus de fournir une barrière contre l'eau, ces champs sont optiquement transparents et provoquent des changements minimes de la topologie de la surface sous-jacente, " dit Koratkar, le professeur d'ingénierie John A. Clark et Edward T. Crossan à Rensselaer. "Nous avons trouvé que ce drap ultra-transparent empêche la pénétration de l'eau dans les surfaces texturées, qui a des implications technologiques intéressantes et potentiellement importantes pour de nombreuses applications en micro- et nanofluidique."
Des gouttes d'eau peuvent être facilement collées ou « épinglées » sur un matériau à surface rugueuse nanotexturée. Lorsque la gouttelette tombe sur le matériau, l'énergie de la chute repousse ou déplace les infimes quantités d'air emprisonnées dans la surface texturée. Une fois dans cet état épinglé, il est difficile de détacher la gouttelette et de la déplacer sur la surface.
Recouvrir la surface d'un drap de graphène imperméable, cependant, empêche une goutte de se coincer à la surface. Le nanodrap crée une barrière qui empêche la goutte d'eau de pénétrer et de déplacer l'air de la surface texturée. Au lieu, la gouttelette repose sur le drapé, avec une friction réduite entre eux, ce qui à son tour facilite le déplacement de la gouttelette sur la surface, dit Koratkar. Tout en aidant à minimiser ces frictions, le nanodrap ultra-transparent provoque une perturbation minimale de la surface sous-jacente.
Les nanochamps carrés mesurent plusieurs pouces de longueur, et une fois appliqués sur une surface ne sont détectables qu'avec un microscope puissant. Koratkar et l'équipe de recherche ont laissé tomber de petites quantités d'eau sur une surface de nanotiges de cuivre, et la même surface recouverte d'un nanodrapé. L'eau lâchée sur la surface nue s'étale pour former de grosses gouttes plates indiquant une surface hydrophile, tandis que l'eau tombant sur les surfaces nanodrapées formait une goutte beaucoup plus ronde ou sphérique indiquant une surface hydrofuge ou hydrophobe. Les chercheurs ont également utilisé des caméras à grande vitesse pour observer et mesurer la forme des gouttes lorsqu'elles ont touché la surface, étaler, contracté, et finalement réglé. Une fois installé, la mouillabilité de la surface a été caractérisée en mesurant l'angle auquel la goutte de liquide était en contact avec la surface solide.
Koratkar a déclaré que les propriétés de résistance à l'eau sont apparentes après l'application d'un seul nanodrap, mais les propriétés sont améliorées avec l'ajout de quelques couches supplémentaires. Des fissures et des rides de taille nanométrique se forment probablement dans la première couche lorsqu'elle est appliquée et se dépose sur la surface. La deuxième couche et les suivantes souffrent probablement de moins de défauts, et aide à couvrir les défauts de la première couche.
Koratkar et son équipe de recherche créent les nanochamps en faisant pousser du graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposés comme une clôture en grillage à l'échelle nanométrique, sur un substrat de cuivre. Ils enrobent ensuite le graphène d'un film polymère, et utilisez des acides faibles pour enlever ou graver le cuivre, qui laisse la couche de polymère avec le film de graphène en dessous flottant au-dessus des acides liquides. La couche de polymère avec feuille de graphène est ensuite transférée sur une surface, et la couche de polymère est doucement lavée à l'aide d'acétone. Ce qui reste est un seul atome de carbone d'épaisseur, ultra-transparent, drapé de graphène imperméable.
Cette étude est la plus récente de Koratkar, dont la recherche se positionne aux carrefours des nanotechnologies, énergie, et durabilité. Son travail a porté sur la synthèse, caractérisation, et l'application de systèmes de matériaux à l'échelle nanométrique, dont le graphène. Son groupe de recherche utilise différentes techniques pour étudier les moyens d'incorporer ces matériaux dans divers composites, revêtements, et les applications de l'appareil.
Les résultats de l'étude ont été publiés plus tôt cette année par la revue ACS Nano dans l'article "Le drapé de graphène minimise l'épinglage et l'hystérésis des gouttes d'eau sur des surfaces rugueuses nanotexturées".
