Dans les surfaces rugueuses superhydrophobes conventionnelles, de minuscules gouttelettes de liquide à l'état de Wenzel resteront accrochées aux textures de surface. En revanche, la nouvelle surface rugueuse glissante permet une grande mobilité des gouttelettes Wenzel. Crédit :Xianming Dai et Tak-Sing Wong, État de Pennsylvanie
Les feuilles de la fleur de lotus, et autres surfaces naturelles qui repoussent l'eau et la saleté, ont été le modèle de nombreux types de surfaces d'ingénierie repoussant les liquides. Aussi glissantes que soient ces surfaces, cependant, de minuscules gouttelettes d'eau s'y collent encore. Maintenant, Les chercheurs de Penn State ont développé des nano/micro-textures, surfaces hautement glissantes capables de surpasser ces revêtements d'inspiration naturelle, en particulier lorsque l'eau est une vapeur ou de minuscules gouttelettes.
L'amélioration de la mobilité des gouttelettes liquides sur les surfaces rugueuses pourrait améliorer le transfert de chaleur de condensation pour les échangeurs de chaleur des centrales électriques, créer une récupération d'eau plus efficace dans les régions arides, et empêcher le givrage et le givrage sur les ailes d'avion. « Cela représente un concept fondamentalement nouveau dans les surfaces d'ingénierie, " dit Tak-Sing Wong, professeur adjoint de génie mécanique et membre du corps professoral du Penn State Materials Research Institute. "Nos surfaces combinent les architectures de surface uniques des feuilles de lotus et des pichets de telle sorte que ces surfaces possèdent à la fois une surface élevée et une interface glissante pour améliorer la collecte et la mobilité des gouttelettes. La mobilité des gouttelettes liquides sur les surfaces rugueuses dépend fortement de la façon dont le le liquide mouille la surface. Nous avons démontré pour la première fois expérimentalement que les gouttelettes de liquide peuvent être très mobiles lorsqu'elles sont à l'état de Wenzel.
Les gouttelettes liquides sur les surfaces rugueuses se présentent dans l'un des deux états suivants :Cassie, dans lequel le liquide flotte partiellement sur une couche d'air ou de gaz, et Wenzel, dans laquelle les gouttelettes sont en plein contact avec la surface, les piéger ou les épingler. Les deux états portent le nom des physiciens qui les ont les premiers décrits. Alors que l'équation de Wenzel a été publiée en 1936 dans un article très cité, il a été extrêmement difficile de vérifier l'équation expérimentalement.
« En faisant attention, analyse systématique, nous avons constaté que l'équation de Wenzel ne s'applique pas aux liquides très mouillants, " a déclaré Birgitt Boschitsch Stogin, étudiant diplômé dans le groupe de Wong et co-auteur de "Slippery Wenzel State, " publié dans l'édition en ligne de ACS Nano .
Schéma montrant une nouvelle surface conçue qui peut repousser les liquides dans n'importe quel état d'humidité. Crédit :Xianming Dai, Chujun Zeng et Tak-Sing Wong
"Les gouttelettes sur les surfaces rugueuses conventionnelles sont mobiles dans l'état de Cassie et épinglées dans l'état de Wenzel. L'état collant de Wenzel entraîne de nombreux problèmes de transfert de chaleur par condensation, récupération de l'eau et enlèvement de la glace. Notre idée est de résoudre ces problèmes en permettant aux gouttelettes d'état de Wenzel d'être mobiles, " dit Xianming Dai, chercheur postdoctoral dans le groupe de Wong et l'auteur principal de l'article. Au cours de la dernière décennie, des efforts considérables ont été consacrés à la conception de surfaces rugueuses qui empêchent la transition de mouillage Cassie à Wenzel. Une avancée conceptuelle clé dans la présente étude est que les gouttelettes d'état de Cassie et de Wenzel peuvent conserver leur mobilité sur la surface rugueuse glissante, renoncer au difficile processus d'empêcher la transition de mouillage.
Afin de rendre mobiles les gouttelettes d'état de Wenzel, les chercheurs ont gravé des piliers à l'échelle micrométrique dans une surface de silicium en utilisant la photolithographie et la gravure d'ions réactifs en profondeur, puis créé des textures nanométriques sur les piliers par gravure humide. Ils ont ensuite infusé les nanotextures avec une couche de lubrifiant qui enrobait complètement les nanostructures, résultant en un épinglage considérablement réduit des gouttelettes. Les nanostructures ont également grandement amélioré la rétention du lubrifiant par rapport à la surface microstructurée seule.
Le même principe de conception peut être facilement étendu à d'autres matériaux au-delà du silicium, comme les métaux, un verre, céramiques et plastiques. Les auteurs pensent que ce travail ouvrira la recherche d'un nouveau, modèle unifié de la physique du mouillage qui explique les phénomènes de mouillage sur des surfaces rugueuses.
