A la plus petite des échelles, la science peut devenir assez bizarre. Tellement bizarre en fait que les métaux et autres matériaux peuvent être altérés pour changer complètement leurs propriétés, comme les rendre résistants à l'eau ou aux bactéries.

C'est la pierre angulaire de nouvelles recherches sur le monde caché des surfaces, avec le potentiel d'améliorer notre vie quotidienne en fabriquant des lave-vaisselle qui se nettoient eux-mêmes ou des batteries plus durables.

Une percée clé qui a rendu cela possible est le laser à impulsions ultracourtes. Jusqu'à il y a 10 ans, cette technologie était trop chère et incapable de produire une puissance suffisamment élevée pour provoquer des effets intéressants pouvant être appliqués à l'échelle industrielle. Mais il a maintenant été développé à un point où les chercheurs peuvent l'utiliser pour changer la structure des objets du quotidien.

Électrons

Un laser à impulsions ultracourtes est un laser qui émet des faisceaux réguliers d'une durée inférieure à 10 picosecondes, soit 10 billions de seconde. Cette minuscule durée d'impulsion est suffisamment courte pour qu'elle puisse exciter des électrons à la surface d'un métal et modifier ses propriétés avant que l'énergie ne soit convertie en chaleur pendant que les électrons se détendent, " ou revenir à un état stable, entre chaque impulsion.

"Donc, ce qui se passe, c'est que vous avez beaucoup d'électrons très excités qui voyagent autour de l'endroit, et puis ils se détendent tous, et qui est converti en chaleur en un seul coup, " a déclaré le Dr Adrian Lutey, un ingénieur en mécanique et chercheur à l'Université de Parme en Italie qui travaille sur un projet appelé TresClean. "Et vous pouvez provoquer des modifications très intéressantes de cette manière."

TresClean étudie les moyens par lesquels les lasers à impulsions ultracourtes pourraient améliorer un certain nombre d'industries, en particulier l'industrie alimentaire et les produits blancs - tels que les lave-vaisselle et les machines à laver - et enquêter sur les limites de ce qui pourrait être possible.

L'équipe explore comment les surfaces métalliques pourraient être rendues résistantes à l'eau à l'aide de lasers, y compris l'un des lasers à impulsions ultracourtes les plus puissants au monde à l'Université de Stuttgart en Allemagne, avec une puissance moyenne d'un kilowatt. Les lasers créent de minuscules nanosillons à la surface du métal, et en piégeant les bulles d'air, cela empêche l'eau d'adhérer à la surface. Cette surface rugueuse a un effet similaire à une feuille de lotus, qui a une chimie de surface qui empêche l'eau de coller.

Antibactérien

En utilisant cette technique, il est possible de créer des surfaces antibactériennes hydrofuges. Les bactéries prospèrent dans l'eau, les tuyaux et autres équipements doivent donc être nettoyés régulièrement pour éviter toute sorte d'accumulation - un processus qui prend à la fois beaucoup de temps et d'argent. Mais si la surface n'a jamais développé de bactéries en premier lieu, ce problème pourrait être éradiqué.

"Un analogue est un lit de clous, les cellules bactériennes n'ont nulle part où elles peuvent s'attacher, " a déclaré le Dr Lutey. " L'utilisation de la texturation au laser pour produire une réponse antibactérienne est à la pointe de la technologie. "

Jusqu'à présent, les résultats sont prometteurs, avec l'équipe publiant un certain nombre d'articles de recherche sur l'efficacité de la technique. Ils espèrent que cela pourrait avoir un certain nombre d'applications, par exemple dans l'industrie de l'emballage alimentaire, où le lait et d'autres aliments liquides sont transportés par des machines. Celui-ci doit être nettoyé toutes les quelques heures à l'aide de produits de nettoyage puissants.

« Si nous pouvons réduire la quantité de nettoyage nécessaire, nous pouvons réduire les temps d'arrêt et nous pouvons réduire tout risque de contamination où les produits de nettoyage se retrouvent dans les aliments, " a déclaré le Dr Lutey.

De même dans les lave-vaisselle et les machines à laver, cela peut empêcher un biofilm - un groupe de bactéries - de se former à l'intérieur de la machine, ce qui peut provoquer une odeur dans le réservoir du lave-vaisselle car les bactéries flottent autour. Avec des surfaces traitées au laser, ces produits pourraient utiliser moins d'eau et devenir moins sales.

Les techniques laser pourraient être appliquées ailleurs. Par exemple, les bateaux ont un problème commun face à un biofilm sur leurs coques où les bactéries se sont développées. Mais si la coque du bateau pouvait être rendue résistante à l'eau, alors les bactéries n'auraient nulle part où s'agripper.

Piles

Les personnes ayant des implants ou conduisant des voitures électriques pourraient également bénéficier de ces techniques. Un projet appelé Laser4Surf utilise des impulsions laser ultracourtes dans un certain nombre de domaines, de la production de batteries à la médecine.

"L'idée derrière ce projet est de développer des prototypes qui peuvent obtenir différentes propriétés dans les surfaces métalliques, " a déclaré la coordinatrice du projet, le Dr Ainara Rodriguez du centre de recherche Ceit-IK4 en Espagne.

Elle et une équipe de chercheurs développent des prototypes qui utilisent plus de 800, 000 impulsions laser pour chauffer le matériau jusqu'à 6, 000°C, qui est plus chaude que la surface du Soleil. Cela sublime la matière, le transformer d'un solide en un gaz, et permet de modifier ses propriétés.

"Ce que nous faisons, c'est irradier (chauffer) la structure du matériau avec des impulsions laser ultrarapides, ce qui peut augmenter l'adhérence du matériau, son hydrophobie (la capacité à repousser l'eau), ou la couleur du métal lui-même, " a déclaré le Dr Rodriguez.

En utilisant des lasers pour augmenter la surface des batteries et éviter la surchauffe, l'équipe espère augmenter leurs cycles de vie de 30%, et leur capacité jusqu'à 60%. Cela ouvre la possibilité à l'avenir de créer des batteries pour voitures électriques qui se chargent plus rapidement et durent plus longtemps. En médecine, la texturation au laser devrait renforcer la liaison entre l'os humain et l'implant à 80 %.

Un élément crucial pour le progrès de cette recherche sera de prouver que cette technologie peut être avancée de l'environnement de laboratoire à l'industrie. En juillet de cette année, l'équipe espère avoir développé différents prototypes qui pourront tester certaines de leurs idées, avant d'examiner comment cela pourrait être étendu pour une utilisation plus répandue.