Lorsqu'il s'agit de concevoir des surfaces extrêmement hydrofuges, la forme et la taille comptent. C'est la découverte d'un groupe de scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'Énergie, qui a étudié les effets de formes différentes, des textures à l'échelle nanométrique sur la capacité d'un matériau à forcer les gouttelettes d'eau à rouler sans mouiller sa surface. Ces résultats et les méthodes utilisées pour fabriquer ces matériaux-publiés en ligne le 21 octobre 2013, dans Matériaux avancés -sont très pertinents pour une large gamme d'applications où la résistance à l'eau est importante, y compris la production d'électricité et le transport.

"L'idée que des textures microscopiques puissent conférer à un matériau des propriétés hydrofuges trouve son origine dans la nature, " a expliqué le physicien et auteur principal de Brookhaven Antonio Checco. " Par exemple, les feuilles des plantes de lotus et les exosquelettes de certains insectes ont une texture à petite échelle conçue pour repousser l'eau en emprisonnant l'air. Cette propriété, appelé « superhydrophobie » (ou super-haine de l'eau), permet aux gouttelettes d'eau de rouler facilement, emportant avec eux des particules de saleté."

Imiter ce mécanisme d'auto-nettoyage de la nature est pertinent pour un large éventail d'applications, tels que le non-encrassement, antigivrage, et des revêtements antibactériens. Cependant, les surfaces superhydrophobes conçues échouent souvent dans des conditions impliquant des températures élevées, pression, et l'humidité - comme les pare-brise d'automobiles et d'avions et les générateurs d'énergie à turbine à vapeur - lorsque l'air emprisonné dans la texture peut avoir tendance à s'échapper. Les scientifiques ont donc recherché des schémas pour améliorer la robustesse de ces surfaces en retardant ou en empêchant la fuite d'air.

Création de textures à l'échelle nanométrique

"En principe, la grande robustesse requise pour plusieurs applications pourrait être obtenue avec des caractéristiques de texture aussi petites que 10 nanomètres (milliardièmes de mètre) car la pression nécessaire pour que le liquide s'infiltre dans la texture et force l'air à sortir augmente considérablement avec le rétrécissement de la taille de la texture, " expliqua Checco. " Mais en pratique, il est difficile de réduire les caractéristiques de la texture de la surface tout en gardant le contrôle sur leur forme."

« Pour ce travail, nous avons développé une approche de fabrication basée sur l'auto-assemblage de nanostructures, qui nous permet de contrôler avec précision la géométrie de la texture de surface sur une surface aussi grande que nous le souhaitons en principe, même aussi grand que des mètres carrés, ", a déclaré Checco.

Le mode opératoire de création de ces surfaces nanostructurées superhydrophobes, développé en collaboration avec des scientifiques du Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials (CFN), tire parti de la tendance des matériaux "copolymères séquencés" à s'auto-organiser spontanément grâce à un mécanisme connu sous le nom de séparation de microphases. Le processus d'auto-assemblage permet d'obtenir des films polymères minces avec une grande uniformité, dimensions réglables de 20 nanomètres ou moins. L'équipe a utilisé ces films polymères nanostructurés comme modèles pour créer des surfaces nanotexturées en les combinant avec des méthodes de traitement de couches minces plus couramment utilisées dans la fabrication d'appareils électroniques, par exemple en gravant sélectivement des parties de la surface pour créer des motifs texturés.

« Cette nouvelle approche s'appuie sur nos méthodes de traitement des couches minces, afin d'adapter précisément la géométrie de la nanotexture de surface grâce au contrôle des conditions de traitement, " a déclaré le physicien et co-auteur de Brookhaven, Charles Black.

L'effet de la forme

Les scientifiques ont créé et testé de nouveaux matériaux avec différentes textures à l'échelle nanométrique, certains décorés de minuscules piliers cylindriques à côtés droits et d'autres avec des cônes inclinés. Ils ont également pu contrôler l'espacement entre ces caractéristiques à l'échelle nanométrique pour obtenir une résistance à l'eau robuste.

Après avoir enduit leurs matériaux d'essai d'un mince film de matériau semblable à de la cire, les scientifiques ont mesuré la façon dont les gouttelettes d'eau roulaient sur chaque surface lorsqu'elles étaient inclinées de la verticale à la position plate et ont comparé le comportement avec celui des solides non texturés.

« Alors que nous avons fabriqué plusieurs nanotextures différentes qui ont toutes considérablement augmenté la résistance à l'eau, certaines formes exécutées différemment que d'autres, " a déclaré le physicien et co-auteur de Brookhaven Atikur Rahman. L'hydrofuge amélioré était conforme aux études antérieures, y compris un précédent de Checco et de ses collaborateurs qui a montré que les bulles d'air emprisonnées dans les surfaces texturées forcent l'eau à se former en gouttes. Cependant, dans l'étude en cours, l'équipe a en outre montré que les nanostructures en forme de cône sont nettement meilleures que les piliers cylindriques pour forcer les gouttelettes d'eau à rouler sur la surface, gardant ainsi les surfaces sèches.

« Dans le cas des piliers cylindriques, lorsque la ligne de contact de la gouttelette s'éloigne sur la surface texturée, il peut être épinglé à la nanotexture, laissant une couche liquide microscopique sur les sommets plats des piliers au lieu d'un substrat parfaitement sec, " a déclaré Checco. " Les structures en forme de cône sont plus petites, sommets pointus, probablement empêcher cet effet.

L'autre découverte importante était que la capacité hydrofuge de la nanotexturation en forme de cône résistait même lorsque des gouttelettes d'eau étaient pulvérisées sur la surface avec une seringue pressurisante. Une telle pression pourrait potentiellement forcer l'eau dans les trous de taille nanométrique entre les piliers coniques ou cylindriques, déplacer les bulles d'air et détruire l'effet hydrofuge.

Les scientifiques ont surveillé les éclaboussures de gouttelettes à l'aide d'une caméra à grande vitesse capable de capturer 30, 000 images par seconde. Pour la surface à texture conique, "Les gouttelettes pulvérisées éclaboussent et éjectent des gouttelettes satellites qui se propagent radialement vers l'extérieur tandis que la partie la plus centrale de la goutte d'origine s'aplatit, puis recule, et rebondit sur la surface, " a déclaré Checco. "Nous n'observons aucune goutte épinglée au point d'impact après que la goutte ait rebondi, indiquant que la surface reste hydrofuge pendant l'impact à des vitesses allant jusqu'à 10 mètres par seconde, qui est plus rapide que la vitesse d'une goutte de pluie qui tombe."

Prochaines étapes

L'équipe travaille à l'extension de cette technique à d'autres matériaux, y compris le verre et le plastique, et sur la fabrication de surfaces qui sont également oléofuges en peaufinant davantage la forme de la caractéristique.

Ils étudient également la résistance de différentes nanotextures à la pénétration de l'eau en utilisant des faisceaux intenses de rayons X disponibles à la source de lumière synchrotron nationale de Brookhaven (NSLS). "L'objectif est de comprendre quantitativement comment l'infiltration liquide forcée dépend de la taille et de la géométrie de la texture. Cela aidera à la conception de revêtements superhydrophobes encore plus résistants, ", a déclaré Checco.

La technique de nanostructuration utilisée dans cette étude permet également la conception d'une grande variété de matériaux avec différentes textures et donc différentes propriétés hydrofuges sur différentes parties d'une même surface. Cette approche pourrait être utilisée, par exemple, pour fabriquer des canaux à l'échelle nanométrique avec des propriétés d'autonettoyage et de faible friction des fluides pour des applications de diagnostic telles que la détection de la présence d'ADN, protéines, ou des biotoxines.

"Ce résultat est un excellent exemple du type de projet qui peut être réalisé en collaboration avec les centres de recherche scientifique à l'échelle nanométrique du DOE, " dit Black. " Auparavant, nous avons poursuivi des structures similaires dans un but scientifique entièrement différent. Nous sommes heureux de travailler avec Antonio dans le cadre du programme CFN User pour l'aider à atteindre ses objectifs de recherche."