L'eau ne peut pas toucher cette surface sablée et poudrée

Une illustration montre la technique de sand-in développée à Rice pour rendre les matériaux superhydrophobes. La méthode en une étape impliquant du papier de verre et de la poudre confère également aux matériaux des propriétés anti-givrage améliorées. Crédit :Weiyin Chen

Vous voulez une surface qui ne se mouille pas ? Prenez du papier de verre.

Des chercheurs de l'Université Rice ont mis au point une méthode simple pour rendre les surfaces superhydrophobes, c'est-à-dire très hydrofuges, sans les produits chimiques souvent utilisés dans de tels processus.

Leur technique implique du papier de verre, une sélection de poudres et de l'huile de coude.

Les laboratoires des professeurs Rice C. Fred Higgs III et James Tour, co-auteurs correspondants d'un article dans la revue American Chemical Society ACS Applied Materials and Interfaces , ont montré que le ponçage d'une surface augmente sa capacité à évacuer l'eau sans se mouiller. Mais le broyage en poudre lui confère en même temps des super pouvoirs hydrophobes.

Mieux encore, leurs surfaces superhydrophobes possèdent également d'excellentes propriétés antigivrantes. Ils ont découvert qu'il fallait 2,6 fois plus de temps à l'eau pour geler sur les surfaces traitées par rapport aux matériaux non traités. Ils ont également remarqué que la glace perdait 40 % de sa force d'adhérence, même à des températures aussi basses que moins 31 degrés Fahrenheit.

La mesure dans laquelle une surface absorbe ou repousse l'eau peut être mesurée en analysant l'angle de contact des gouttelettes qui s'y déposent. Pour être superhydrophobe, un matériau doit avoir un angle de contact avec l'eau - l'angle auquel la surface de l'eau rencontre la surface du matériau - supérieur à 150 degrés. Plus le bourrelet est grand, plus l'angle est élevé. Un angle de zéro degré est une flaque d'eau, tandis qu'un angle maximum de 180 degrés est une sphère qui touche juste la surface.

Pour atteindre leur super statut, les matériaux hydrophobes ont une faible énergie de surface ainsi qu'une surface rugueuse. Les meilleurs matériaux de l'équipe Rice ont montré un angle de contact d'environ 164 degrés.

Higgs, dont le laboratoire est spécialisé en tribologie, l'étude des surfaces en contact glissant, a déclaré que certains types de papier de verre peuvent fournir une rugosité de surface qui favorise le comportement hydrophobe ou hydrophobe souhaité.

"Cependant, l'idée du groupe Tour d'introduire des matériaux en poudre sélectionnés entre les surfaces de frottement pendant le processus de ponçage signifie qu'un tribofilm est formé", a déclaré Higgs. "Cela donne l'avantage supplémentaire de fonctionnaliser la surface pour repousser toujours plus l'eau."

Un tribofilm se forme lors d'une réaction chimique sur des surfaces glissant les unes contre les autres. La surface du piston d'un moteur en est un bon exemple, dit-il.

Une vidéo montre l'ancien élève de Rice Winston Wang en train de poncer des fibres de graphène induites par laser dans une plaque de polytétrafluoroéthylène pour la rendre superhydrophobe et des images accélérées de une goutte d'eau gèle sur la plaque traitée. Le procédé superhydrophobe développé à Rice ralentit d'environ 2,6 fois la formation de glace sur les surfaces traitées. Crédit :avec l'aimable autorisation du groupe de touristes

Higgs a déclaré que le ponçage rend les surfaces plus douces rugueuses et permet aux poudres d'adhérer à travers les forces de van der Waals. "Ces forces sont à leur maximum lorsque les surfaces entrent en contact étroit", a-t-il déclaré. "Par conséquent, les particules de poudre peuvent adhérer même après la fin du processus de ponçage."

Les changements structurels et le transfert de masse et d'électrons semblent réduire l'énergie de surface des matériaux qui, avant le traitement, étaient déjà légèrement hydrophobes ou hydrophiles, selon les chercheurs.

L'équipe Rice a appliqué la technique sur une variété de surfaces (téflon, polyéthylène, polypropylène, polystyrène, chlorure de polyvinyle et polydiméthylsiloxane) avec une variété d'additifs en poudre. Ceux-ci comprenaient la fibre de graphène induite par laser, le graphène flash turbostratique, le bisulfure de molybdène, le téflon et le nitrure de bore. Une variété de papiers de verre d'oxyde d'aluminium ont été utilisés, de 180 à 2 000 grains.

Les matériaux résistants se sont avérés robustes, car ni un chauffage à 130 degrés Celsius (266 degrés Fahrenheit) ni 18 mois sous le chaud soleil de Houston ne les ont dégradés. Coller du ruban adhésif transparent sur la surface et le décoller 100 fois ne les a pas détériorés non plus. Mais même lorsque les matériaux ont commencé à défaillir, les laboratoires ont constaté que leur reponçage pouvait facilement rafraîchir leur hydrophobicité.

L'équipe a également découvert qu'en modifiant les conditions d'enrobage et les additifs en poudre, les matériaux peuvent également être rendus hydrophiles ou absorbant l'eau.

Tour a déclaré que la simplification de la fabrication de matériaux superhydrophobes et antigivrants devrait susciter l'intérêt de l'industrie. "Il est difficile de fabriquer ces matériaux", a-t-il déclaré. "Les surfaces superhydrophobes ne permettent pas l'accumulation d'eau. L'eau perle et roule immédiatement s'il y a le moindre angle ou vent léger.

"Maintenant, presque toutes les surfaces peuvent être rendues superhydrophobes en quelques secondes", a déclaré Tour. "Les poudres peuvent être aussi simples que le téflon ou le bisulfure de molybdène, qui sont tous deux facilement disponibles, ou des matériaux de graphène plus récents. De nombreuses industries pourraient en profiter, des constructeurs d'avions et de bateaux aux gratte-ciel, où une faible adhérence à la glace est essentielle. "

"Les constructeurs d'avions ne veulent pas que de la glace se forme sur leurs ailes, les capitaines de navires ne veulent pas que la traînée de l'eau de mer les ralentisse et les appareils biomédicaux doivent éviter l'encrassement biologique, où les bactéries s'accumulent sur les surfaces humides", a déclaré Higgs. "Les surfaces superhydrophobes robustes et durables produites à partir de cette méthode de ponçage en une seule étape peuvent atténuer bon nombre de ces problèmes.

"Une limitation des autres techniques pour générer des surfaces hydrophobes est qu'elles ne s'étendent pas à de grandes surfaces telles que celles des avions et des navires", a-t-il déclaré. "Des techniques d'application simples comme celle développée ici doivent être évolutives."

L'étudiant diplômé de Rice, Weiyin Chen, co-auteur principal du nouvel article, a déclaré que le laboratoire du Tour avait également appliqué sa technique de ponçage à diverses surfaces métalliques, y compris, comme indiqué dans un autre article récent, des feuilles de lithium et de sodium pour les batteries métalliques.

"Les réactions chimiques spontanées provoquent la formation de tribofilms, dans ce cas, l'interphase artificielle d'électrolyte solide", a déclaré Chen. "Les métaux modifiés peuvent être utilisés comme anodes pour les batteries métalliques rechargeables." + Explorer plus loin