Une surface propre à jamais : est-ce possible ? C’est possible !

Sur une surface omniphobe, les gouttelettes de liquides rebondissent au lieu de s’accrocher au matériau. Ces surfaces sont importantes dans de nombreux domaines, tels que la fabrication de vêtements imperméables ou encore les ustensiles de cuisine antisalissure. D’un point de vue aérodynamique, ces matériaux aux propriétés particulières servent non seulement à réduire la traînée (la force qui s’oppose au mouvement d’un corps dans un fluide) des embarcations, mais aussi à accélérer les cargos et les équipements militaires tout en économisant de l’énergie.

L’objectif ultime de la recherche sur ce sujet est de mettre au point une structure qui repousse les liquides, possède une forte stabilité mécanique et qui soit peu coûteuse à produire à l’échelle industrielle. Les matériaux omniphobes existants ne peuvent être produits en masse à cause de la complexité de leurs surfaces. En effet, pour que les molécules glissent sur la surface, elles doivent minimiser la tension superficielle et donc la surface de contact. C’est la raison laquelle il est nécessaire de créer des aspérités micrométriques comme l’illustre la figure ci-dessous. Cependant, une zone de contact plus petite induit une fragilité mécanique supérieure.

Crédits : University of Minnesota

La nature, une source d’inspiration

Actuellement, les surfaces hydrophobes les plus efficaces ont été conçues en imitant la surface texturée des feuilles de lotus pour être utilisées à des fins d’anti-corrosion, antigel, ou encore la séparation de phases non miscibles. Néanmoins, ces surfaces superhydrophobes sont sujettes à la contamination par des liquides à faible tension superficielle tels que les huiles, les solutions de tensioactifs et les solvants organiques.

Pour améliorer les solutions existantes, les chercheurs de l’université de Hong Kong (HKU) se sont lancés dans un programme de recherches en s’inspirant des cuticules de collemboles.

Les collemboles sont des arthropodes vivant dans le sol et dont les habitats sont souvent humides. Leur mode de vie est rendu possible entre autres par les propriétés mécaniques et physicochimique de leurs membres. L’équipe du Pr Wang Liqui a conçu des surfaces poreuses composées de micro-cavités en nid d’abeille interconnectées (voir image ci-dessous) : l’interconnectivité assure la stabilité mécanique et les aspérités permettent de diminuer la surface en contact entre le liquide et le solide.

Crédits : Hong Kong University

Les tests menés sur des échantillons montrent que la surface de ce nouveau matériau repousse une dizaine de liquide différents, notamment l’eau, les huiles, les tensioactifs et les solvants organiques, tout en étant 21 fois plus résistant à l’abrasion que les meilleures solutions actuelles. Cette matière est aussi résistante aux attaques chimiques acide mais beaucoup moins en lorsque l’espèce en présence est basique.

Une méthode de fabrication innovante

Les chercheurs du laboratoire de génie mécanique ont également mis au point une technique de fabrication innovante par l’utilisation des caractéristiques de la microfluidique (Microfluidic Emultion Template - MET) pour façonner le matériau, à la manière d’un gâteau.

Grâce à l’utilisation de dispositifs capillaires microfluidiques, les chercheurs ont commencé par créer une émulsion très uniforme dans laquelle des gouttelettes d’huile de silicone sont distribuées dans une solution aqueuse d’alcool polyvinylique (PVA) avant de la déposer sur un substrat en verre. En quelques minutes, les gouttelettes d’huile plus légères se sont mises à flotter jusqu’à l’interface air-eau pour former des monocouches hexagonales compactes.

Ensuite, les gouttelettes d’huile sphériques se déforment graduellement pour prendre une forme de pancake, en raison de l’évaporation de l’eau et de la réduction de volume résultante dans la phase de PVA.

Lorsque la totalité de l’eau est évaporée, le PVA cristallise en nid d’abeille et l’élimination des dernières gouttes d’huile laisse apparaitre une membrane uniforme composée de micro-cavités dont la taille est contrôlable par la concentration en PVA dans l’émulsion.

Crédits : Nature communications

En plus des faibles coûts des matières premières (de 0,7 à 1,3 HKD par mètre carré, soit 1 000 fois moins que les matériaux actuels en Téflon), la méthode MET peut être facilement transposée à grande échelle, favorisant ainsi la production en masse de membranes poreuses.

Sources :

http://www.me.umn.edu/ lixxx099/EFRI_CAES/Research/texturing.htm
https://hku.hk/press/news_detail_17080.html
https://www.nature.com/articles/ncomms15823

Rédacteur : Vincent de Brix, Chargé de mission scientifique Hong Kong

Contact : sciences chez consulfrance-hongkong.org