Un nouveau système mis au point par des chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) pourrait permettre de contrôler la façon dont un liquide se déplace sur une surface, en utilisant uniquement la lumière visible.
Images séquentielles de la coalescence photo-induite de multiples gouttelettes de solution de chlorure de sodium placées sur une surface de dioxyde de titane sensibilisée au colorant chloré immergée dans du dodécane. Barre d’échelle – 1 cm. Crédit image : Kwon et al, doi : 10.1038/ncomms14968.
“Nous nous sommes inspirés des travaux réalisés dans le domaine de la photovoltaïque, où la sensibilisation par colorant a été utilisée pour améliorer l’efficacité de l’absorption du rayonnement solaire”, a déclaré Kripa Varanasi, professeur associé d’ingénierie mécanique au MIT, et auteur principal d’un article décrivant le nouveau système dans le journal. Nature Communications.
L’objectif initial de l’équipe était de trouver des moyens de séparer le pétrole de l’eau, par exemple pour traiter le mélange mousseux d’eau saumâtre et de pétrole brut produit par certains puits de pétrole.
Des méthodes électrostatiques sont parfois utilisées, mais elles consomment beaucoup d’énergie et ne fonctionnent pas lorsque l’eau est très salée, comme c’est souvent le cas. Au lieu de cela, le Dr Varanasi et ses co-auteurs ont exploré l’utilisation de surfaces “photosensibles”, dont les réactions à l’eau peuvent être modifiées par une exposition à la lumière.
En créant des surfaces dont les interactions avec l’eau – une propriété connue sous le nom de mouillabilité – peuvent être activées par la lumière, les auteurs ont découvert qu’ils pouvaient directement séparer l’huile de l’eau en provoquant la coalescence des gouttelettes d’eau individuelles et leur propagation sur la surface. Plus les gouttelettes d’eau fusionnent, plus elles se séparent de l’huile.
Les matériaux photosensibles ont été largement étudiés et utilisés ; un exemple est l’ingrédient actif de la plupart des écrans solaires – le dioxyde de titane (TiO2).
Mais la plupart de ces matériaux, y compris le dioxyde de titane, réagissent principalement à la lumière UV et à peine à la lumière visible. Or, seulement 5 % environ de la lumière solaire se situe dans la gamme des UV.
Les chercheurs ont donc trouvé un moyen de traiter la surface du dioxyde de titane pour la rendre sensible à la lumière visible. Pour ce faire, ils ont d’abord utilisé une technique de dépôt couche par couche pour constituer un film de particules de dioxyde de titane liées à un polymère sur une couche de verre.
L’équipe a ensuite recouvert le matériau d’un simple colorant organique. La surface ainsi obtenue s’est avérée très sensible à la lumière visible, produisant un changement de mouillabilité, lorsqu’elle est exposée à la lumière du soleil, bien plus important que celui du dioxyde de titane lui-même.
Une fois activé par la lumière du soleil, le matériau s’est avéré très efficace pour “désémulsifier” le mélange huile-eau, c’est-à-dire pour séparer l’eau et l’huile l’une de l’autre.
“Le couplage du colorant aux particules de dioxyde de titane permet la génération de porteurs de charge lors de l’illumination par la lumière”, a déclaré le Dr Varanasi.
“Cela crée une différence de potentiel électrique qui s’établit entre la surface et le liquide lors de l’illumination, et conduit à un changement des propriétés de mouillage.”
“L’eau salée s’étale sur notre surface sous l’effet de l’illumination, mais pas l’huile”, a ajouté le coauteur, le Dr Gibum Kwon, professeur adjoint à l’Université du Kansas.
“Nous avons constaté que pratiquement toute l’eau de mer s’étale à la surface et se sépare du pétrole brut, sous la lumière visible”.
Le même effet pourrait également être utilisé pour entraîner des gouttelettes d’eau sur une surface, comme l’équipe l’a démontré dans une série d’expériences.
En modifiant sélectivement la mouillabilité du matériau à l’aide d’un faisceau lumineux mobile, une gouttelette peut être dirigée vers la zone la plus mouillable, la propulsant dans la direction souhaitée avec une grande précision. Ces systèmes pourraient être conçus pour fabriquer des dispositifs microfluidiques sans limites ni structures intégrées. Le mouvement du liquide – par exemple un échantillon de sang dans un laboratoire de diagnostic sur puce – serait entièrement contrôlé par le modèle d’illumination projeté sur lui.
“En étudiant systématiquement la relation entre les niveaux d’énergie du colorant et la mouillabilité du liquide en contact, nous avons mis au point un cadre pour la conception de ces systèmes de manipulation de liquide guidés par la lumière”, a déclaré le Dr Varanasi.
“En choisissant le bon type de colorant, nous pouvons créer un changement significatif dans la dynamique des gouttelettes. Il s’agit d’un mouvement induit par la lumière – un mouvement sans contact des gouttelettes.gouttelettes.”
La mouillabilité commutable de ces surfaces présente un autre avantage : elles peuvent être largement autonettoyantes. Lorsque la surface passe de l’état d’attraction de l’eau à celui de répulsion de l’eau, toute l’eau présente sur la surface est chassée, entraînant avec elle les contaminants qui ont pu s’accumuler.
