Certains corps d'insectes ont développé la capacité de repousser l'eau et l'huile, adhérer à différentes surfaces, et éliminer les reflets lumineux. Les scientifiques ont étudié les mécanismes physiques sous-jacents à ces propriétés remarquables trouvées dans la nature et les ont imités pour concevoir des matériaux à utiliser dans la vie quotidienne.

Il y a plusieurs années, Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département de l'Énergie des États-Unis (DOE) ont développé une méthode de texture de surface à l'échelle nanométrique pour conférer une imperméabilité complète aux matériaux, une propriété inspirée des exosquelettes d'insectes dotés de minuscules poils conçus pour repousser l'eau en emprisonnant l'air. Leur méthode tire parti de la capacité de matériaux appelés copolymères à blocs (chaînes de deux molécules distinctes liées entre elles) à s'auto-assembler en motifs ordonnés dont les dimensions ne mesurent que des dizaines de nanomètres. Les scientifiques ont utilisé ces modèles auto-assemblés pour créer des textures à l'échelle nanométrique dans une variété de matériaux inorganiques, y compris le silicium, un verre, et quelques plastiques. Initialement, ils ont étudié comment le changement de forme des textures de cylindrique à conique impactait la capacité des matériaux à repousser l'eau. Les nanotextures en forme de cône se sont avérées bien meilleures pour forcer les gouttelettes d'eau à tomber, évacuer les particules de saleté et laisser les surfaces complètement sèches.

Maintenant, travailler avec des collègues en France - de l'ESPCI Paris Tech, École polytechnique, et le groupe Thales - ils ont en outre montré que les nanotextures optimisées ont d'excellentes capacités anti-buée, comme décrit dans un article publié en ligne dans le numéro du 27 février de Matériaux naturels . Animé par David Quéré de l'ESPCI et de l'École Polytechnique, la recherche fournit une compréhension fondamentale qui peut éclairer de nouvelles conceptions pour les bobines de condensation des générateurs de puissance à turbine à vapeur, pare-brise de voiture et d'avion, et d'autres matériaux sujets à la formation de buée.

"De nombreux matériaux texturés peuvent repousser l'eau, avec des gouttes d'eau millimétriques rebondissant sur leurs surfaces, mais beaucoup de ces surfaces échouent lorsqu'elles sont exposées à des conditions brumeuses ou humides, " dit Charles Black, directeur du Brookhaven Lab's Center for Functional Nanomaterials (CFN), le DOE Office of Science User Facility où Black et l'ancien physicien Antonio Checco du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux de Brookhaven et l'ancien associé de recherche postdoctoral du CFN Atikur Rahman ont fabriqué les nanotextures.

Le brouillard se forme à chaud, l'air humide frappe une surface plus froide (telle qu'une fenêtre ou un pare-brise) et forme des gouttelettes d'eau, un processus appelé condensation. Lorsque les gouttelettes d'eau sont de taille similaire aux caractéristiques structurelles d'une surface texturée hydrophobe ("qui déteste l'eau"), ils peuvent pénétrer à l'intérieur et se développer dans la texture, au lieu de rester au sommet. Une fois la texture remplie, l'atterrissage d'eau sur le matériau se coince, entraînant l'apparition de brouillard.

Les scientifiques ont déjà observé que les ailes des cigales, qui sont recouverts de textures en forme de cône nanométriques, ont la capacité de repousser le brouillard en faisant sauter spontanément des gouttelettes d'eau de leur surface, un phénomène causé par la conversion efficace de l'énergie de surface en énergie cinétique lorsque deux gouttelettes se combinent. Motivé par cet exemple de la nature, l'équipe a étudié l'impact de la réduction de la taille de la texture et de la modification de la forme de la texture sur la capacité anti-buée de la surface d'un modèle.

Pour simuler des conditions de buée, les scientifiques ont chauffé l'eau et mesuré la force d'adhérence alors que les gouttelettes d'eau chaude se refroidissaient au contact des surfaces nanotexturées. Ces mesures ont révélé que l'adhérence des gouttelettes était significativement affectée par le type de nanotexture de surface, avec des gouttes chaudes adhérant fortement à celles à grosses textures et à peine adhérant aux surfaces avec les plus petites.

"Les textures avec les plus petites tailles de caractéristiques et la forme appropriée - dans ce cas, conique - résiste à la formation de buée car les gouttelettes d'eau de condensation sont trop grosses pour pénétrer la texture. Les gouttelettes restent au dessus, flottant essentiellement sur le coussin d'air emprisonné en dessous, " dit Noir.

Les scientifiques ont ensuite utilisé un microscope optique connecté à une caméra vidéo haute résolution pour visualiser la condensation des gouttelettes sur différentes textures pendant la formation de la rosée, lorsque l'humidité atmosphérique se condense plus vite qu'elle ne s'évapore. Alors que toutes les textures sont initialement recouvertes d'un grand nombre de microgouttelettes, au fil du temps les textures de forme cylindrique se couvrent d'eau, tandis que ceux avec une forme conique se dessèchent spontanément. Les textures de forme conique résistent à la formation de rosée car les gouttelettes d'eau adhèrent si légèrement à la surface que lorsque deux gouttes se rejoignent, ils gagnent assez d'énergie pour sauter spontanément de la surface, similaire au mécanisme observé dans les ailes de cigale.

"Ce travail représente l'excellent, pouvoir multiplicateur des installations des utilisateurs du DOE. Dans ce cas, La collaboration initiale de CFN avec un utilisateur de l'un des départements de Brookhaven a conduit à une nouvelle connexion internationale avec différents utilisateurs, qui a porté l'étude des surfaces hydrophobes dans de nouvelles directions, " dit Noir.