Des murs auto nettoyant, des micro-robots capables de marcher sur l’eau, tout ceci pourrait devenir réalité grâce aux nouvelles recherches réalisées sur la super-hydrophobie par les scientifiques de l’University of Nebraska-Lincoln (UNL) et du Japan’s RIKEN institute. Le phénomène de super-hydrophobie peut être visible dans la nature lorsqu’on observe les mouvements des perles de pluie par exemple sur une plante ou encore la capacité de certains insectes à marcher sur l’eau. Ainsi Xiao Cheng Zeng, professeur de chimie à l’UNL prend pour exemple les punaises d’eau : "leurs pattes sont super hydrophobiques et chaque patte peut supporter 15 fois son propre poids. "Hydrophobique" signifie que l’eau repousse leurs pattes ce qui leurs permet de rester à la surface. Un grand nombre de scientifiques ont voulu développer des surfaces qui imiteraient cette spécificité de la nature".
Wenzel et de Cassie ont les premiers suggéré qu’un matériau hydrophobe comme une cire, par exemple, voit cette hydrophobie renforcée par la présence d’une micro-texture. Les scientifiques ont très tôt avancé deux hypothèses pour comprendre ce phénomène. D’abord, une rugosité augmente la surface d’un solide. Si nous supposons que le liquide suit les accidents de la surface (figure 1a), une goutte va se contracter pour éviter un contact trop développé avec son support, lorsque ce dernier est hydrophobe (modèle de Wenzel). Mais il existe un autre point de vue : le substrat est un matériau poreux bidimensionnel et hydrophobe dans lequel l’eau ne pénètre pas. Une goutte repose alors sur un mélange de solide et d’air (figure 1b), ce qui a pour effet de renforcer l’hydrophobie (modèle de Cassie). L’idéal est alors de minimiser (par un design adéquat de la texture) la surface de contact solide/liquide, la goutte "flottant" ainsi sur son support comme le fakir sur son tapis de clous.
De ces deux interprétations, quelle est la bonne ? Sur une surface peu rugueuse et modérément hydrophobe, l’énergie associée à l’interface solide-liquide n’est pas trop élevée, alors que la création de poches d’air sous la goutte le serait plus : on attend alors un comportement de Wenzel. Au contraire, pour un solide très rugueux, il devient énergétiquement plus favorable de créer des poches d’air et l’état "fakir" est privilégié. Ce cas correspond à la plupart des matériaux naturels super-hydrophobes, qui sont décorés de plusieurs structures emboîtées qui leur confèrent une grande rugosité. En revanche, les techniques de microfabrication issues de la microélectronique engendrent le plus souvent des textures simples qui seront souvent peu rugueuses, et donc susceptibles de favoriser plutôt l’état de Wenzel.
Utilisant les super ordinateurs à l’institut de RIKER (les plus rapides au monde lors du lancement du projet en 2005), l’équipe menée par Zeng a conçu un modèle de simulation pour réaliser plusieurs dizaines de milliers d’expériences qui ont étudié le comportement des surfaces sous différentes conditions, c’est-à-dire en modifiant la taille des gouttes d’eau, leur vitesse initiale et le type des structures en surface. D’après les explications de Zeng, les simulations sur ordinateur pour cette étude ont paru plus pertinentes que dans un laboratoire. En effet, elles ont l’avantage de faciliter la répétition d’un très grand nombre d’expériences, de ne pas tenir compte d’un grand nombre de variables comme la température, les courants d’air ou encore les impuretés et enfin de contrôler la taille des gouttes avec le nombre exacte de molécules contrairement à une goutte d’eau réelle.
Dans un papier publié dans le numéro du 4-8 mai du site "Proceedings of the National Academy of Sciences", Zeng et son équipe, révèlent leurs premiers résultats sur les matériaux super hydrophobes. Ce qu’ils ont appris, c’est qu’il existe une hauteur de pilier fondamentale, dépendant de la structure de la particule et de ses propriétés chimiques selon laquelle une goutte d’eau ne peut pénétrer dans la microtexture, respectant ainsi les conditions de Cassie. Selon Zeng "Ce genre de simulation – appelé conception de surface assistée par ordinateur – peut réellement aider les ingénieurs dans la conception d’une meilleure surface à l’échelle nanométrique. Dans l’état de Cassie, les gouttes d’eau restent au sommet et peuvent nettoyer la structure ; Dans l’état de Wenzel, elles ont plutôt tendance à se coincer, perdant ainsi leur fonctionnalité auto-nettoyante. Lorsque l’on construira à l’avenir des nanomachines comme des nanorobots, on souhaitera qu’elle puisse se nettoie seule".
Source :
"Research gives clues for self-cleaning materials, water-striding robots" Office of University Communications niversity of Nebraska-Lincoln -05/04/2009 – https://newsroom.unl.edu/releases/2009/05/04/Research+gives+clues+for+self-cleaning+materials%2C+water-striding+robots
Pour en savoir plus, contacts :
"Effet lotus : quand la nature a horreur de l’eau" https://www2.cnrs.fr/presse/thema/376.htm
Code brève
ADIT : 59208
Rédacteur :
Arnaud Souillé ; [email protected]
