Qu'est-ce que le liquide vaisselle et les casseroles antiadhésives ont en commun ? Outre le fait que l'un sert à nettoyer l'autre après la cuisson, les deux articles ménagers tirent leur utilité en affectant les propriétés physiques des fluides et les surfaces avec lesquelles ces fluides entrent en contact.

Le liquide vaisselle enlève l'huile des surfaces car sa composition chimique est constituée d'un groupe hydrofuge (hydrophobe) qui se lie préférentiellement à l'huile, et un groupe « aimant l'eau » (hydrophile) qui se lie préférentiellement à l'eau. Cela réduit efficacement la tension superficielle de l'huile, permettant de le rincer facilement.

D'autre part, les poêles antiadhésives sont généralement recouvertes d'un matériau connu sous le nom de polytétrafluoroéthylène, mieux connu sous le nom de téflon, qui est extrêmement hydrophobe. Pratiquement tout glisse sur les surfaces recouvertes de téflon car les forces d'adhérence entre le téflon et de nombreux autres matériaux ou molécules sont presque négligeables.

Les tensioactifs comme le liquide vaisselle et les matériaux comme le téflon ont d'autres utilisations que les tâches ménagères banales. En réalité, ils sont impliqués dans toute une gamme de procédés industriels, y compris l'extraction du pétrole brut et la prévention de l'encrassement des dispositifs biomédicaux. Pour répondre à des besoins industriels aussi divers, Les scientifiques d'A*STAR explorent constamment de nouveaux matériaux et techniques pour modifier la façon dont les fluides interagissent les uns avec les autres et avec les surfaces.

Indices de la nature

Alors que l'ingéniosité humaine a été la source de nombreuses méthodes synthétiques pour contrôler la façon dont l'huile et l'eau interagissent, la nature est souvent un plus grand inventeur, comme Nanji Hadia, chercheur à l'Institut des sciences chimiques et de l'ingénierie (ICES) d'A*STAR, découvert.

Travaillant sur le problème de l'extraction du pétrole brut, Hadia recherchait des moyens plus respectueux de l'environnement pour récupérer le pétrole résiduel dans les réservoirs. « Dans la plupart des réservoirs de pétrole, une grande quantité d'huile reste irrécupérable car elle est coincée dans les gorges micrométriques des pores des roches réservoirs, ", a déclaré Hadia. "Les forces capillaires sont un facteur clé qui retient l'huile dans ces minuscules pores."

Afin de maximiser la quantité de pétrole brut qui peut être récupérée de chaque puits de pétrole, l'industrie pétrolière a développé une approche connue sous le nom de récupération assistée du pétrole. "Un type de récupération assistée du pétrole implique l'utilisation de tensioactifs pour surmonter les forces capillaires maintenant le pétrole en place et permettre à l'huile et à l'eau de se mélanger en émulsions qui peuvent ensuite s'écouler plus facilement à travers les pores, ", a déclaré Hadia.

Cependant, de nombreux tensioactifs synthétiques existants comprennent des sulfates et des sulfonates qui ne sont pas toujours biodégradables et posent des problèmes environnementaux. « En raison des restrictions environnementales de plus en plus strictes, c'est une priorité pour l'industrie de l'exploration et de la production pétrolière de s'orienter vers les tensioactifs verts, " a noté Hadia.

Hadia a donc décidé de s'inspirer du manuel d'innovation de la nature, collaborer avec son collègue Christoph Ottenheim pour produire des molécules naturelles de type tensioactif à partir de bactéries, aussi appelés biosurfactants. Deux types de biosurfactants ont été largement étudiés dans le cadre de la récupération assistée du pétrole :les glycolipides, qui sont des molécules de graisse auxquelles est attachée une chaîne de sucre ; et lipopeptides, molécules de graisse avec une courte chaîne d'acides aminés (les éléments constitutifs de base des protéines) qui s'y rattachent.

Enlever les tensions

Dans leur étude, Hadia et Ottenheim se sont concentrés sur un lipopeptide appelé surfactine, produit par la famille des bactéries Bacillus. "Les tensioactifs sont connus pour leur capacité à réduire drastiquement la tension interfaciale entre l'huile et l'eau, ", a déclaré Hadia. Mais produire des surfactines en quantités suffisamment importantes sans encourir de coûts astronomiques reste un problème difficile à résoudre et constitue une considération majeure pour l'industrie de la production pétrolière.

Actuellement, la surfactine est obtenue par fermentation, où les Bacillus reçoivent un mélange spécifique de nutriments et sont maintenus à un pH précis, conditions de température et d'aération qui favorisent la synthèse de la surfactine. "Dans notre cas, nous avons utilisé des souches de Bacillus subtilis 22.2 et leur avons laissé fermenter un bouillon nutritif pendant une nuit à 30°C, " expliqua Ottenheim. Le produit de fermentation contenait un mélange de surfactines, avec un rendement inférieur à 1 g/L de bouillon.

Évaluer l'effet de leur mélange de surfactines sur deux bruts de cuve de stockage, les chercheurs ont découvert qu'une faible concentration de surfactine de 0,025 % était capable de réduire de cent à mille fois la tension interfaciale des deux huiles, facilitant ainsi la formation d'émulsions huile-dans-eau. Cela permet à l'huile de s'écouler facilement des gorges des pores.

Pour mieux imiter les conditions réelles dans lesquelles le mélange de surfactine devrait fonctionner, L'équipe de Hadia a également mené des expériences d'inondation du noyau en piégeant le pétrole dans le grès de Berea, un grès naturel poreux, puis essayer de récupérer l'huile. « Nous avons pu récupérer 1,5 à 5 % de pétrole en plus en injectant une solution de surfactine à 0,1 % dans les échantillons de roche [par rapport au moment où la surfactine n'était pas utilisée], ", a déclaré Hadia.

Une partie de cette amélioration pourrait également être attribuée au fait que la surfactine a modifié la mouillabilité des échantillons de roche pour les rendre plus humides (de la même manière que le liquide vaisselle fonctionne), permettant à l'huile d'être rincée avec de l'eau. Pris ensemble, les surfactines représentent une solution réalisable et plus respectueuse de l'environnement pour une récupération améliorée du pétrole dans l'industrie pétrolière, a noté Hadia.

Un sport de contact

La possibilité de régler la mouillabilité de surface est tout aussi utile en dehors du domaine de la récupération du pétrole. Par exemple, en microfluidique, qui implique des liquides passant par de très petits canaux, la mouillabilité de ces canaux influence considérablement la façon dont les liquides s'écoulent à l'intérieur, ou si les cellules biologiques peuvent adhérer aux surfaces des canaux à des fins d'organes sur puce.

Au lieu d'appliquer un revêtement (comme du téflon ou de la surfactine), une autre stratégie pour modifier la mouillabilité de la surface consiste à utiliser des lasers. Des chercheurs dirigés par Zhongke Wang, chercheur au Singapore Institute of Manufacturing Technology (SIMTech) d'A*STAR, ont utilisé l'irradiation laser pour contrôler avec précision la mouillabilité du polycarbonate, un type de plastique transparent et biocompatible.

"Jusque là, la plupart des techniques existantes ne peuvent qu'augmenter ou diminuer la mouillabilité du polycarbonate, mais ne pas régler la mouillabilité dans les deux sens, " Wang a dit, ajoutant que les méthodes actuelles manquent également de flexibilité pour créer des angles de contact arbitraires entre les surfaces en polycarbonate et les liquides. Un angle de contact supérieur à 90° signifie qu'une surface est hydrophobe, alors qu'un angle de contact inférieur à 90° indique qu'une surface est hydrophile. En d'autres termes, une surface hydrophile a une mouillabilité plus élevée qu'une surface hydrophobe.

A l'aide d'un laser femtoseconde, ainsi appelé parce qu'il émet des impulsions ultracourtes de lumière focalisée, L'équipe de Wang a réussi à rendre les surfaces en polycarbonate hydrophobes ou hydrophiles à des degrés divers, en fonction de paramètres tels que l'intensité laser, le nombre d'impulsions laser appliquées et la vitesse de balayage du laser.

Par exemple, une vitesse de balayage élevée de 0,5 mm/s avec un nombre d'impulsions de 60 a entraîné un angle de contact de plus de 150° entre le polycarbonate et une goutte d'eau de 0,5 mm, ce qui signifie que le polycarbonate est devenu superhydrophobe. D'autre part, une vitesse de balayage inférieure de 29 mm/s avec moins d'impulsions a entraîné un angle de contact inférieur à 5°, indiquant une surface superhydrophile.

« Les changements dans les liaisons chimiques sur la surface du polycarbonate à la suite de différentes conditions d'irradiation laser déterminent la mouillabilité de la surface numérisée au laser. Les groupes polaires induits par l'irradiation laser ont entraîné une surface hydrophile, tandis que les groupes non polaires induits par l'irradiation laser ont entraîné une surface hydrophobe, " expliqua Wang.

Recherche de synergies

Ayant démontré que la surface du polycarbonate est altérée chimiquement et physiquement par le laser femtoseconde, les chercheurs ont voulu tester la stabilité des propriétés de surface dans le cadre de la microfluidique. En microfluidique, l'ultrasonication - l'application d'ondes sonores à haute fréquence - est couramment utilisée pour rincer les minuscules canaux en présence d'eau ou de produits chimiques.

L'équipe de Wang a découvert que la rugosité des surfaces hydrophobes était augmentée par les ultrasons avec de l'eau et de l'éthanol. En revanche, la rugosité des surfaces hydrophiles a été diminuée. Les chercheurs ont également noté que l'hydrophobie et l'hydrophilie des surfaces en polycarbonate traitées au laser diminuaient lors des ultrasons avec de l'eau et de l'éthanol.

"Nous pensons qu'il existe deux possibilités pour le changement de la mouillabilité de surface après le traitement :les ultrasons pourraient avoir délogé les débris des surfaces traitées au laser, ou les ultrasons peuvent avoir entraîné des modifications supplémentaires des liaisons chimiques sur la surface du polycarbonate, " a expliqué Wang. Il a ajouté que de futures expériences utilisant la spectroscopie photoélectronique aux rayons X seront nécessaires pour clarifier si des modifications des liaisons chimiques se sont effectivement produites après l'ultrasonication.

Les résultats des travaux de Wang peuvent avoir des implications pour les recherches de Hadia, car la microfluidique est utile pour la visualisation des flux à très petite échelle. « Dans le cas des études de récupération assistée du pétrole, la microfluidique aide les chercheurs à comprendre le déplacement d'un fluide par un autre dans une puce microfluidique en verre contenant un réseau de pores qui représente un échantillon de roche poreuse, " dit Hadia. Par conséquent, tandis que Wang et Hadia étudient peut-être des problèmes différents, leurs domaines de recherche se chevauchent subtilement et génèrent des synergies.

Les deux scientifiques proposent également différentes approches pour la modification de surface, que ce soit par des moyens chimiques (revêtement avec de la surfactine) ou des méthodes physiques (lasers). Leurs découvertes ouvrent la voie à une plus grande efficacité et à une réduction de l'impact environnemental des procédés industriels, illustrant comment la recherche et le développement peuvent produire des solutions astucieuses pour certains des problèmes les plus difficiles de la société.