De nombreuses surfaces naturelles peuvent rapidement perdre des gouttelettes d'eau en raison de leur fonctionnalité hydrofuge. En 1945, les scientifiques Cassie et Baxter ont lié la fonction hydrofuge des surfaces naturelles à leurs textures de surface. L'utilisation de textures à faible fraction solide (notées Φ s ) est donc un principe clé pour concevoir des surfaces hydrofuges. Dans ce travail, Lin Wang et une équipe de scientifiques en science des matériaux, génie biomédical et génie mécanique à la Pennsylvania State University, Les États-Unis ont réduit le temps de contact des gouttelettes rebondissantes sur des surfaces à fraction solide élevée (c'est-à-dire Φs ~ 0,25 à 0,65) en réduisant la taille de la texture de surface à l'échelle nanométrique. Ils ont montré comment des surfaces à fraction solide élevée avec une taille de texture inférieure à 100 nanomètres pouvaient réduire le temps de contact des gouttelettes rebondissantes d'environ 2,6 millisecondes (ms) par rapport à une taille de texture supérieure à 300 nm. La réduction du temps de contact dépendant de la texture et de la taille observée sur les surfaces solides est le premier résultat de l'étude par rapport aux théories existantes sur la mouillabilité des surfaces. Wang et al. a attribué la réduction du contact des gouttelettes sur les surfaces nanométriques à la tension de ligne de contact triphasée dominante. Sur la base d'expériences de stabilité de pression, l'équipe a en outre montré comment les fractions solides de surface étaient bioinspirées par des insectes capables de résister à l'impact des gouttes de pluie. Les résultats sont maintenant publiés sur Avancées scientifiques .

Les surfaces à l'échelle nanométrique ont divers rôles dans les organismes biologiques avec une importance pour la survie des insectes, les exemples incluent les propriétés antireflet des yeux des mites, propriétés antibuée des moustiques, techniques autonettoyantes de cigale et anti-biofouling de libellule. Le détachement rapide des gouttes de pluie sur les insectes volants est également essentiel pour leur survie. Par exemple, la durée d'impact des gouttes de pluie sur les moustiques est d'environ 0,5 à 10 ms; un laps de temps de mécanismes combinés d'élimination des gouttelettes actives et passives. Les plantes et les ailes de papillon peuvent également maintenir des motifs à micro-échelle pour briser l'impact des gouttelettes en morceaux plus petits afin de réduire le temps de contact des gouttelettes. Cependant, les scientifiques des matériaux doivent encore comprendre comment la fraction solide élevée et les textures à l'échelle nanométrique des surfaces d'insectes hydrofuges peuvent provoquer un détachement rapide des gouttes de pluie lors de l'impact. Pour explorer les effets de taille de texture et les interactions liquide-solide, Wang et al. conçu une série de bio-inspirés, surfaces texturées ressemblant à des insectes, les enduit d'une monocouche de silane pour induire une hydrophobie de la surface (nature qui déteste l'eau) et a mené une série d'expériences.

Lors des expérimentations, l'équipe a maintenu l'état Cassie-Baxter (mouillage de surface hétérogène) avec les gouttelettes de liquide d'essai et a comparé le temps de contact des gouttelettes d'eau rebondissantes sur des surfaces texturées. Les surfaces avec une taille de texture inférieure à 300 nm ont montré une diminution du temps de contact pour les gouttelettes rebondissantes. La réduction en fonction de la taille de la texture du contact des gouttelettes sur les surfaces solides était une première étude par rapport aux théories existantes de mouillage des surfaces.

En théorie, le temps de contact peut être prédit par rapport à la densité et à la tension superficielle de l'eau. Lorsqu'une gouttelette de liquide a heurté une surface texturée, il s'est étendu jusqu'à un diamètre maximal et s'est rétracté de la surface un peu comme une « ressort liquide ». Sur les surfaces texturées à faible fraction solide, la tension interfaciale liquide-air de la gouttelette dominait la constante d'élasticité du ressort liquide. Pendant ce temps, toute contribution des interactions liquide-solide pourrait être ignorée. Cependant, les scientifiques ne pouvaient pas ignorer les interactions liquide-solide sur les surfaces texturées à fraction solide élevée où Φ s égal à 0,44, en raison de l'énergie supplémentaire résultant de la formation de lignes de contact triphasées sous les gouttelettes pour influencer leurs énergies de rebond. Pour ça, Wang et al. considéré la tension de la ligne de contact triphasée (τ), introduit pour la première fois par Gibbs dans les années 1870, où les mesures expérimentales de dépendaient du système spécifique à l'étude.

Cinématique du rebond des gouttelettes sur des surfaces texturées et stabilité de la pression des surfaces

Pour mieux comprendre la réduction du temps de contact des gouttelettes impactant les surfaces nanométriques, Wang et al. ont étudié la cinématique des gouttelettes rebondissantes en fonction des processus d'étalement et de rétraction. Alors que les vitesses de propagation des gouttelettes étaient similaires sur différentes surfaces, pendant la phase de rétraction, les gouttelettes ont mis plus de temps à se rétracter complètement des surfaces contenant des fractions solides plus élevées. Le travail a montré comment l'augmentation de la fraction solide augmentait donc le temps de rétraction. Par exemple, une gouttelette sur une surface de silicium noir superhydrophobe pourrait se rétracter à une vitesse constante pour que les gouttelettes se retirent au rythme le plus rapide possible. De façon inattendue, donc, Wang et al. a noté un comportement de rebond superhydrophobe sur des textures de surface de 100 nm avec une fraction solide de 0,44

Pour comprendre le résultat, les scientifiques ont ensuite mis au point une méthode pour quantifier l'hystérésis de l'angle de contact en mesurant systématiquement l'angle de contact en avance et en retrait sur des surfaces conçues. Les surfaces avec une fraction solide plus élevée avaient une rétraction retardée des gouttelettes, s'écartant notamment du comportement de rebond superhydrophobe prévu. Il était donc intéressant de comprendre pourquoi les surfaces insectifuges hydrofuges n'adoptaient pas des textures à plus faible fraction solide pour mieux évacuer l'eau. Pour ça, Wang et al. ont étudié la stabilité de la pression des surfaces texturées contre l'impact des gouttelettes lorsque les gouttelettes d'eau impactant une surface solide ont subi deux modes de pression d'impact. Le premier mode était la pression de coup de bélier à la surface de contact liquide-solide et le second mode était la pression dynamique au stade de l'étalement. L'équipe a donc montré qu'une fraction solide élevée était une exigence importante pour que les insectes résistent à la pression d'impact des gouttes de pluie afin de les éliminer complètement.

De cette façon, Lin Wang et ses collègues ont montré comment des textures à l'échelle nanométrique sur des surfaces à haute teneur en solides réduisaient pour la première fois le temps de contact des gouttelettes rebondissantes. Les résultats ont révélé une stratégie sans précédent pour réduire le temps de contact des gouttelettes rebondissantes sur des surfaces solides. L'équipe a obtenu un comportement de rebond superhydrophobe sur des surfaces à fraction solide élevée (Φ s =0,44) avec une taille de texture à l'échelle nanométrique d'environ 100 nm. Les résultats ont mis en lumière la façon dont les insectes échappent à l'impact à grande vitesse des gouttes de pluie. L'étude fournit des preuves expérimentales de la nécessité de textures à haute fonction solide afin de contrer la pression d'impact des gouttes de pluie. Techniquement, un matériau texturé nanométrique compact qui peut repousser l'impact à grande vitesse des gouttelettes liquides avec un temps de contact réduit aura une gamme d'applications pour faciliter les équipements de protection individuelle résistants à l'encrassement, pour les robots volants de la taille d'insectes et dans les drones miniaturisés.

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