La mouillabilité d'une surface - qu'il s'agisse de gouttes d'eau ou d'un autre liquide perlant ou s'étalant lorsqu'elles entrent en contact avec elle - est un facteur crucial dans une grande variété d'applications commerciales et industrielles, telles que l'efficacité avec laquelle les chaudières et les condenseurs fonctionnent en puissance usines ou comment les caloducs évacuent la chaleur dans les processus industriels. Cette caractéristique a longtemps été considérée comme une propriété fixe d'une paire donnée de matériaux liquides et solides, mais les chercheurs du MIT ont maintenant développé un moyen de faire en sorte que même les appariements de matériaux les plus improbables atteignent le niveau de mouillabilité souhaité.

Le nouveau processus est décrit cette semaine dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS ), dans un article rédigé par les post-doctorants du MIT Kyle Wilke, Zhengmao Lu et Youngsop Song et le professeur de génie mécanique Evelyn Wang.

La mouillabilité est généralement étroitement liée aux propriétés de tension superficielle d'un liquide - plus la tension superficielle est élevée, plus le liquide est susceptible de former des perles sur une surface plutôt que de s'étaler pour mouiller la surface. Le mercure a une tension superficielle exceptionnellement élevée et est donc considéré comme hautement non mouillant. L'équipe a donc choisi ce liquide notoirement difficile pour l'une de ses démonstrations. Ils ont pu produire une surface, faite d'un matériau généralement non mouillant, qui a provoqué la propagation du mercure sans réaction chimique, ce qui n'avait jamais été démontré auparavant.

La nouvelle méthode est basée sur la texturation de la surface, quelle que soit sa composition, avec des indentations rapprochées qui ont des "ouvertures rentrantes" - c'est-à-dire que l'ouverture au sommet est plus étroite que le reste de la cavité, un peu comme un bocal avec une étroite bouche. Cette surface texturée est prétraitée avec un liquide qui remplit toutes ces cavités, laissant des zones exposées de liquide dans ces ouvertures à travers la surface, ce qui modifie les propriétés de la surface. Lorsqu'un autre liquide est ajouté, qui, selon l'application, peut être identique ou différent de celui préchargé dans la surface, sa réponse à la surface passe de non mouillante à mouillante.

Les surfaces qui ont une mouillabilité élevée pour l'eau sont dites hydrophiles, et celles qui ne sont pas mouillantes pour l'eau sont dites hydrophobes. La mouillabilité ou la non-mouillabilité est le terme générique pour un tel comportement quel que soit le liquide particulier impliqué.

Bien que les surfaces réentrantes aient déjà été démontrées à d'autres fins, ce travail est le premier à montrer qu'elles peuvent être utilisées pour modifier la surface afin de produire "des régimes de mouillage qui n'ont pas été démontrés auparavant", déclare Wang, professeur d'ingénierie Ford. et chef du département de génie mécanique du MIT.

Les découvertes sont si nouvelles qu'il peut y avoir de nombreuses applications réelles auxquelles l'équipe n'a pas encore pensé, déclare Wilke :"C'est quelque chose que nous sommes vraiment ravis de commencer à explorer", dit-il. Mais la gestion thermique dans divers processus industriels est susceptible d'être parmi les premières utilisations pratiques. La façon dont l'eau ou un autre fluide de travail se propage ou ne se propage pas sur les surfaces du condenseur peut avoir une influence majeure sur l'efficacité de nombreux processus impliquant l'évaporation et la condensation, y compris les centrales électriques et les usines de traitement chimique.

"Nous avons maintenant pris une surface non mouillante et l'avons rendue mouillante", explique Wilke. "Les gens ont déjà fait le cas contraire, en prenant quelque chose qui mouille et en le rendant non mouillant." Ainsi, ce nouveau travail ouvre la porte à la possibilité d'exercer un contrôle quasi total de la mouillabilité pour différentes combinaisons de matériaux de surface et de liquides.

"Nous pouvons désormais créer des surfaces qui présentent les combinaisons de mouillabilité les plus imaginables", déclare Wilke. "Je pense que cela peut certainement ouvrir des applications vraiment intrigantes que nous cherchons à explorer."

Un domaine prometteur est celui des revêtements de protection. De nombreux matériaux utilisés pour protéger les surfaces contre les produits chimiques agressifs sont des composés fluorés fortement non mouillants, ce qui peut les rendre inadaptés à de nombreuses applications. Rendre ces surfaces humides pourrait ouvrir de nombreuses nouvelles utilisations potentielles pour ces revêtements.

Les caloducs à haute température, utilisés pour conduire la chaleur d'un endroit à un autre, comme pour le refroidissement des machines ou de l'électronique, sont une autre application prometteuse. "Beaucoup de ces fluides de travail sont du métal liquide, et ceux-ci sont connus pour avoir une tension superficielle très élevée", explique Lu. Cela limite drastiquement le choix de tels fluides, et cette nouvelle approche pourrait ouvrir d'éventuels choix de matériaux.

Alors que les indentations de surface complexes pour cette recherche ont été fabriquées à l'aide de processus de fabrication de semi-conducteurs, l'équipe explore d'autres moyens d'obtenir le même type de texturation à l'aide de l'impression 3D ou d'un autre processus qui pourrait plus facilement être mis à l'échelle pour des applications réelles.

L'équipe explore également les variations dans les tailles et les formes de ces ouvertures rentrantes. Par exemple, dit Lu, bien que ce soit la surface et l'espacement de ces ouvertures qui déterminent principalement leur comportement de mouillabilité, leur profondeur peut influencer la stabilité de ce comportement, car les trous plus profonds sont plus résistants à l'évaporation, ce qui pourrait compromettre les améliorations de mouillabilité. "La distance au fond du canal est une dimension critique qui peut affecter le comportement de mouillage", dit-il. Ces variations sont explorées dans le cadre de travaux de suivi.

En utilisant du mercure, dit Lu, l'équipe "a choisi notre ensemble de géométries en fonction de ce cas le plus difficile" et a quand même pu démontrer une mouillabilité élevée. "Ainsi, pour les combinaisons moins difficiles, vous avez plus de flexibilité pour choisir des géométries probablement plus faciles à réaliser."

"Il y a probablement de nombreuses industries qui en bénéficieront", dit Wang, "qu'il s'agisse d'une industrie de traitement chimique, d'une industrie de traitement de l'eau ou d'une industrie de produits thermiques". L'une des prochaines étapes que l'équipe prendra, dit-elle, consiste à "discuter avec ces diverses industries pour identifier où se trouve l'opportunité à court terme". + Explorer plus loin

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Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche, de l'innovation et de l'enseignement du MIT.