Représentation artistique de la couche de molécules semblable à un liquide repoussant les gouttelettes d’eau. Crédit : Ekaterina Osmekhina/Université Aalto
Une méthode révisée pour créer des surfaces hydrophobes a des implications pour toute technologie où l’eau rencontre une surface solide, de l’optique et de la microfluidique à la cuisson.
Les chercheurs ont développé un nouveau mécanisme permettant aux gouttelettes d’eau de glisser des surfaces, décrit dans un article publié dans Chimie naturelle. La découverte remet en question les idées existantes sur la friction entre les surfaces solides et l’eau et ouvre une nouvelle voie pour étudier la glissance des gouttelettes au niveau moléculaire. La nouvelle technique a des applications dans de nombreux domaines, notamment la plomberie, l’optique, ainsi que les industries automobile et maritime.
Interactions de l’eau et des surfaces solides
Tout autour de nous, l’eau interagit toujours avec des surfaces solides. La cuisine, les transports, l’optique et des centaines d’autres technologies sont affectés par la manière dont l’eau adhère aux surfaces ou en glisse. Comprendre la dynamique moléculaire de ces gouttelettes microscopiques aide les scientifiques et les ingénieurs à trouver des moyens d’améliorer de nombreuses technologies domestiques et industrielles.
Les surfaces de type liquide sont un nouveau type de surface anti-gouttelettes qui offre de nombreux avantages techniques par rapport aux approches traditionnelles, un sujet récemment abordé dans Nature Commentaires Chimie par Robin Ras, professeur à l’Université Aalto. Ils comportent des couches moléculaires très mobiles mais liées de manière covalente au substrat, conférant aux surfaces solides une qualité semblable à un liquide qui agit comme une couche de lubrifiant entre les gouttelettes d’eau et la surface elle-même. Une équipe de recherche dirigée par Ras a utilisé un réacteur spécialement conçu pour créer une couche de molécules semblable à un liquide, appelée monocouches auto-assemblées (SAM), au-dessus d’une surface de silicium.
Regarder la croissance des monocouches auto-assemblées
« Notre travail est la première fois que quelqu’un passe directement au niveau nanométrique pour créer des surfaces moléculairement hétérogènes », explique le doctorant Sakari Lepikko, auteur principal de l’étude.
En ajustant soigneusement les conditions telles que la température et la teneur en eau à l’intérieur du réacteur, l’équipe a pu affiner la quantité de surface de silicium recouverte par la monocouche.
« Je trouve très excitant qu’en intégrant le réacteur à un ellipsomètre, nous puissions observer la croissance des monocouches auto-assemblées avec un niveau de détail extraordinaire », explique Ras.
« Les résultats ont montré plus de glissance lorsque la couverture SAM était faible ou élevée, qui sont également les situations où la surface est la plus homogène. À faible couverture, la surface du silicium est le composant le plus répandu, et à couverture élevée, les SAM sont les plus répandus.
« Il était contre-intuitif que même une faible couverture donne lieu à une glissance exceptionnelle », poursuit Lepikko.
À faible couverture, l’eau forme un film sur la surface, ce qui augmente la friction. « Nous avons constaté qu’au lieu de cela, l’eau s’écoule librement entre les molécules du SAM à faible couverture SAM, glissant de la surface. Et lorsque la couverture du SAM est élevée, l’eau reste au-dessus du SAM et glisse tout aussi facilement. C’est seulement entre ces deux états que l’eau adhère aux SAM et adhère à la surface.
La nouvelle méthode s’est avérée exceptionnellement efficace, puisque l’équipe a créé la surface liquide la plus glissante au monde.
Anti-buée, dégivrage, autonettoyant
Cette découverte promet d’avoir des implications partout où des surfaces anti-gouttelettes sont nécessaires. Selon Lepikko, cela couvre des centaines d’exemples allant de la vie quotidienne aux solutions industrielles.
« Des éléments tels que le transfert de chaleur dans les tuyaux, le dégivrage et l’antibuée sont des utilisations potentielles. Cela facilitera également la microfluidique, où de minuscules gouttelettes doivent être déplacées en douceur, et la création de surfaces autonettoyantes. Notre mécanisme contre-intuitif constitue une nouvelle façon d’augmenter la mobilité des gouttelettes partout où cela est nécessaire », explique Lepikko.
Ensuite, l’équipe prévoit de continuer à expérimenter sa configuration monocouche à auto-assemblage et d’améliorer la couche elle-même. Lepikko est particulièrement enthousiasmé par les informations que ces travaux ont fournies pour les innovations futures.
« Le principal problème d’un revêtement SAM est qu’il est très fin et qu’il se disperse donc facilement après un contact physique. Mais les étudier nous apporte des connaissances scientifiques fondamentales que nous pouvons utiliser pour créer des applications pratiques durables.
La recherche a utilisé l’infrastructure de recherche nationale OtaNano et a été menée par le groupe Matière molle et mouillage du Département de physique appliquée, qui a également produit d’autres matériaux hydrofuges pionniers.
Des chercheurs de l’Université de Jyväskylä ont également contribué à cette étude.
