Cette photo montre des gouttelettes d'eau placées sur la surface nanostructurée développée par des chercheurs du MIT. Les couleurs sont causées par la diffraction de la lumière visible des minuscules structures à la surface, crêtes avec une forme spécialement conçue. Crédit :Kyle Wilke
"Omniphobe" peut sembler une façon de décrire quelqu'un qui a peur de tout, mais il s'agit en fait d'un type spécial de surface qui repousse pratiquement n'importe quel liquide. De telles surfaces pourraient potentiellement être utilisées dans tout, des coques de navires qui réduisent la traînée et augmentent l'efficacité, aux revêtements qui résistent aux taches et protègent contre les produits chimiques nocifs. Mais les surfaces omniphobes développées jusqu'à présent souffrent d'un problème majeur :la condensation peut rapidement désactiver leurs propriétés d'élimination des liquides.
Maintenant, les chercheurs du MIT ont trouvé un moyen de surmonter cet effet, produire une conception de surface qui réduit considérablement les effets de la condensation, bien qu'à un léger sacrifice dans la performance. Les nouvelles découvertes sont décrites dans la revue ACS Nano , dans un article de l'étudiant diplômé Kyle Wilke, professeur de génie mécanique et chef de département Evelyn Wang, et deux autres.
La création d'une surface pouvant éliminer pratiquement tous les liquides nécessite un type de texture précis qui crée un ensemble de poches d'air microscopiques séparées par des piliers ou des crêtes. Ces poches d'air gardent la plupart du liquide loin du contact direct avec la surface, l'empêchant de "mouiller, " ou s'étalant pour couvrir toute une surface. Au lieu de cela, le liquide perle en gouttelettes.
"Beaucoup de liquides sont parfaitement mouillants, ce qui signifie que le liquide s'étale complètement, " dit Wilke. Il s'agit notamment de nombreux réfrigérants utilisés dans les climatiseurs et les réfrigérateurs, les hydrocarbures tels que ceux utilisés comme carburants et lubrifiants, et de nombreux alcools. "Ceux-ci sont très difficiles à repousser. La seule façon de le faire est par une géométrie de surface très spécifique, ce qui n'est pas si facile à faire, " il ajoute.
Différents groupes travaillent sur les méthodes de fabrication, il dit, mais avec des caractéristiques de surface mesurées en dizaines de microns (millionièmes de mètre) ou moins, "il peut être assez difficile à fabriquer, et peut rendre les surfaces assez fragiles."
Si de telles surfaces sont endommagées, par exemple, si l'un des minuscules piliers est tordu ou cassé, cela peut faire échouer tout le processus. "Un défaut local peut détruire la capacité de toute la surface à repousser les liquides, " dit-il. Et la condensation, tels que la formation de rosée en raison d'une différence de température entre l'air et la surface, agit de la même manière, détruire l'omniphobie.
« Nous avons réfléchi : Comment pouvons-nous perdre une partie de la répulsion tout en rendant la surface robuste » contre les dommages et la rosée, dit Wilke. "Nous voulions une structure qu'un défaut ne détruirait pas." Après de nombreux calculs et expérimentations, ils ont trouvé une géométrie qui répond à cet objectif grâce, en partie, aux poches d'air microscopiques qui sont déconnectées plutôt que connectées sur les surfaces, rendant la propagation entre les poches beaucoup moins probable.
Démontrer la capacité du matériau à résister à la condensation, cette photo montre que les gouttelettes conservent leurs formes rondes même lorsque la surface commence à être recouverte de gouttes de rosée nouvellement formées, qui sont considérés comme un motif moucheté sur la surface. Crédit :Kyle Wilke
Les fonctionnalités doivent être très petites, il explique, car lorsque des gouttelettes se forment, elles sont initialement à l'échelle du nanomètre, ou des milliardièmes de mètre, et l'espacement entre ces gouttelettes en croissance peut être inférieur à un micromètre.
L'architecture clé que l'équipe a développée est basée sur des arêtes dont les profils ressemblent à une lettre T, ou dans certains cas une lettre T avec empattements (les minuscules crochets aux extrémités des traits de lettre dans certaines polices). La forme elle-même et l'espacement de ces arêtes sont importants pour obtenir la résistance de la surface aux dommages et à la condensation. Les formes sont conçues pour utiliser la tension superficielle du liquide pour l'empêcher de pénétrer dans les minuscules poches d'air superficielles, et la façon dont les crêtes se connectent empêche toute pénétration locale des cavités de surface de se propager à d'autres à proximité, comme l'équipe l'a confirmé lors de tests en laboratoire.
Les arêtes sont fabriquées selon un processus en plusieurs étapes à l'aide de systèmes de fabrication de puces standard, graver d'abord les espaces entre les arêtes, puis enduire les bords des piliers, puis décaper ces revêtements pour créer l'indentation sur les côtés des crêtes, laissant un surplomb en forme de champignon au sommet.
En raison des limites de la technologie actuelle, Wilke dit, les surfaces omniphobes sont rarement utilisées aujourd'hui, mais l'amélioration de leur durabilité et de leur résistance à la condensation pourrait permettre de nombreuses nouvelles utilisations. Le système devra encore être affiné, bien que, au-delà de cette première preuve du concept. Potentiellement, il pourrait être utilisé pour faire des surfaces autonettoyantes, et pour améliorer la résistance à l'accumulation de glace, améliorer l'efficacité du transfert de chaleur dans les processus industriels, y compris la production d'électricité, et pour réduire la traînée sur des surfaces telles que les coques de navires.
De telles surfaces pourraient également fournir une protection contre la corrosion, en réduisant le contact entre la surface du matériau et les liquides corrosifs auxquels il peut être exposé, disent les chercheurs. Et parce que la nouvelle méthode offre un moyen de concevoir précisément l'architecture de surface, Wilke dit qu'il peut être utilisé pour "adapter la façon dont une surface interagit avec les liquides, comme pour adapter le transfert de chaleur pour la gestion thermique dans les appareils hautes performances."
Chang Jin Kim, un professeur de génie mécanique et aérospatial à l'Université de Californie à Los Angeles qui n'a pas participé à ces travaux, dit "L'une des limitations les plus importantes des surfaces omniphobes est que, alors qu'une telle surface a un pouvoir hydrophobe supérieur, toute la surface est mouillée une fois que le liquide pénètre dans les vides de la surface texturée à certains endroits. Cette nouvelle approche répond à cette limitation même. »
Kim ajoute que " j'aime que leur idée clé soit basée sur la science fondamentale, alors que leur objectif était de résoudre un problème clé de la vie réelle. Le problème qu'ils ont abordé est important mais très difficile." Et, il dit, "Cette approche peut potentiellement rendre certaines des surfaces omniphobes utiles et pratiques pour certaines applications importantes."
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.
