Les matériaux qui ont simultanément des propriétés contrastées, par exemple, ils sont doux d'un côté et durs de l'autre, avec une transition progressive entre les deux propriétés, pourrait permettre des applications complètement nouvelles comme les verres antireflet. Dans la nature, de telles propriétés de fusion sont en effet courantes, par exemple dans les moules ou dans l'œil humain. Les scientifiques des matériaux de l'Université de Kiel ont utilisé ce principe pour développer de nouveaux matériaux à l'échelle nanométrique. Ils ont maintenant réussi à produire des films de copolymère ultra-minces avec de telles propriétés variant progressivement. En tant que revêtements multifonctionnels, ils pourraient permettre des applications optiques et électroniques complexes en format miniature, par exemple pour la microélectronique. Leurs résultats ont été récemment publiés dans la revue Matériaux aujourd'hui et figurait également sur la page de couverture du numéro.

Propriétés matérielles inspirées de la nature

Les moules peuvent adhérer si fermement aux pierres ou aux jetées qu'elles ne peuvent pas être détachées par le courant marin. Pour que les tissus mous à l'intérieur de la coquille de moule s'arriment de manière stable à la surface dure d'une pierre, les moules forment des fils adhésifs élastiques, par exemple, qui deviennent continuellement plus durs vers la fin. Cela est dû au mélange de protéines qui change uniformément d'un bout à l'autre de la fibre.

Sur la base de ce principe de la nature, les scientifiques des matériaux à Kiel développent des matériaux minces uniques avec des propriétés de fusion similaires, films minces dits à gradient. « Pour y parvenir, nous combinons deux matériaux aux propriétés différentes au niveau nano, " explique Stefan Schröder. Il est le premier auteur de l'étude et effectue actuellement son doctorat à la Chaire des matériaux multicomposants. L'étude montre un moyen de synthétiser pour la première fois de tels gradients sous forme de films polymères ultra-minces. Schröder et ses collègues ont combiné du polytétrafluoroéthylène (PTFE, plus connu sous le nom commercial "Teflon") avec le polymère PV3D3. La combinaison de matériaux résultante pourrait être utilisée, par exemple, pour enduire les avions, réfrigérateurs, ou des façades en verre pour les rendre plus faciles à dégivrer.

Dans ce but, Schröder et ses collègues ont profité des propriétés différentes des deux polymères :le téflon n'est pas seulement connu pour ses propriétés antiadhésives, sa surface est également hydrophobe. Par conséquent, les gouttelettes d'eau roulent idéalement immédiatement ou ne gèlent que légèrement, ce qui facilite également l'élimination de la glace. Mais le téflon lui-même est difficile à appliquer sur d'autres surfaces. Le PV3D3 est quant à lui caractérisé par de bonnes propriétés adhésives. En combinant progressivement les deux matériaux au niveau nano, l'équipe de recherche a pu les rejoindre dans une transition en douceur. D'un côté, la liaison est particulièrement bonne, et d'autre part, différentes propriétés sont conservées. Le résultat est un matériau de revêtement avec une face supérieure hydrofuge et une face inférieure bien adhérente.

Revêtements polymères minces, pas si faciles à produire

Mais revêtir des surfaces avec des polymères de manière contrôlée n'est pas si facile. Il existe déjà des procédés de dépôt en phase vapeur ou de pulvérisation cathodique pour le revêtement de métaux ou de matériaux céramiques, qui ont également été utilisés à grande échelle industrielle pendant des décennies. Cependant, les polymères ne peuvent pas simplement être vaporisés ou pulvérisés sans décomposition. La scientifique américaine Karen K. Gleason propose un remède avec la technique de dépôt chimique en phase vapeur initiée (iCVD) qu'elle a développée au milieu des années 1990 au Massachusetts Institute of Technology MIT, où Schröder a passé un séjour de recherche en 2017.

"Dans ce processus, un gaz est introduit avec un gaz initiateur dans une chambre de réaction dans laquelle se trouve une surface de substrat. La chaleur provoque la rupture des liaisons chimiques de l'initiateur et le début d'une réaction en chaîne, " explique le directeur de thèse le professeur Franz Faupel, titulaire de la Chaire Matériaux Composites et membre de l'axe de recherche KiNSIS (Kiel Nano, Science des surfaces et des interfaces) à la CAU. Par ici, un mince film de polymère "grandit" sur la surface du substrat à partir des gaz introduits.

Les scientifiques des matériaux de Kiel sont allés encore plus loin. Ils ont utilisé le processus iCVD non seulement pour créer une fine couche de polymère, mais ont également lié simultanément deux polymères dans une transition progressive. Après avoir introduit le monomère V3D3, ils ont ajouté le matériau de départ pour le dépôt de PTFE et ont continuellement augmenté sa concentration. À la fois, ils ont baissé celui de V3D3, de sorte que les deux forment un film polymère sur le substrat avec une transition progressive d'un polymère PV3D3 pur à un film PTFE pur à partir de la surface du substrat.

Une nouvelle classe de nanomatériaux à gradient organique

Au cours de la technique iCVD, de nombreux processus se déroulent en parallèle. "Si des paramètres individuels tels que la température du substrat ou la pression du gaz monomère dans le réacteur sont modifiés, le matériau final acquiert des propriétés différentes. Cependant, trouver les bons paramètres pour les propriétés souhaitées est très complexe, " explique Schröder. Par conséquent, il a équipé le système iCVD conventionnel de leur chaise d'un spectromètre de masse quadripolaire à source d'ions ouverte. Il permet d'observer les processus dans la chambre de réaction in situ et d'ajuster la composition du mélange gazeux de l'initiateur et des deux monomères en même temps.

Grâce à ce contrôle de haute précision, l'équipe de recherche a pu synthétiser une couche de gradient polymère de seulement 21 nanomètres d'épaisseur. A titre de comparaison :les cheveux humains ont un diamètre d'environ 50, 000 nanomètres. Précédemment, seuls des gradients macroscopiques avaient été possibles. "Un film à gradient aussi mince est pratiquement un record du monde et pratiquement une nouvelle classe de nanomatériaux à gradient organique, " dit le Dr Thomas Strunskus, un attaché de recherche dans le groupe de travail. "Surtout pour les applications en optique, des revêtements de quelques nanomètres seulement sont cruciaux pour ne pas altérer les propriétés optiques des fenêtres ou des lentilles, par exemple. » Les premiers projets avec des partenaires industriels du secteur des technologies de revêtement et de climatisation sont déjà en préparation.

Les applications possibles vont de la microélectronique et des capteurs à l'optique et à la biomédecine

Le processus présenté dans l'étude peut également être utilisé pour réaliser d'autres combinaisons de polymères avec de nouvelles propriétés chimiques et physiques des matériaux. Les films polymères nanométriques sont également intéressants, par exemple, pour des composants et capteurs microélectroniques flexibles en technologie MEMS (systèmes micro-électromécaniques) ou des machines moléculaires qui transfèrent des processus mécaniques à l'échelle nanométrique.

Les résultats maintenant publiés seront également intégrés aux travaux de plusieurs associations de recherche sous l'égide de KiNSIS. "Ce sont des outils fondamentaux pour la science des matériaux. Les applications vont de l'amélioration de l'adhérence des couches fonctionnelles dans les capteurs au développement de matériaux pour la libération contrôlée de médicaments vers des machines moléculaires, " dit Faupel.