Les chercheurs peuvent maintenant traiter une surface de façon à ce qu’une gouttelette de mercure s’y étale, au lieu de perler. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
S’étaler ou perler ? Un nouveau procédé permet de contrôler les interfaces liquide-solide, même avec les paires de matériaux les plus improbables.
La mouillabilité d’une surface – que les gouttes d’eau ou d’un autre liquide perlent ou s’étalent à son contact – est un facteur crucial dans une grande variété d’applications commerciales et industrielles, comme l’efficacité des chaudières et des condenseurs dans les centrales électriques ou la façon dont 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 aujourd’hui, elle n’est plus considérée comme une propriété fixe. MIT Les chercheurs du MITont mis au point un moyen de faire en sorte que même les paires de matériaux les plus improbables atteignent le niveau de mouillabilité souhaité.
Le nouveau procédé est décrit cette semaine dans le journal .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 d’ingénierie 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 se répandre pour mouiller la surface. Le mercure présente une tension superficielle exceptionnellement élevée et est donc considéré comme hautement non mouillable. L’équipe a donc choisi ce liquide notoirement difficile pour l’une de ses démonstrations. L’équipe a donc choisi ce liquide notoirement difficile pour l’une de ses démonstrations. Elle a pu produire une surface, faite d’un matériau typiquement non mouillant, sur laquelle le mercure s’est répandu sans réaction chimique, ce qui n’avait jamais été démontré auparavant.
La nouvelle méthode consiste à texturer la surface, quelle que soit sa composition, avec des indentations très rapprochées qui présentent des “ouvertures rentrantes”, c’est-à-dire que l’ouverture du haut est plus étroite que le reste de la cavité, un peu comme un bocal à ouverture étroite. 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 le même ou différent de celui préchargé dans la surface, sa réponse à la surface est modifiée de non mouillante à mouillante.
Les surfaces qui ont une mouillabilité élevée pour l’eau sont dites hydrophiles, et celles qui sont non mouillantes pour l’eau sont dites hydrophobes. La mouillabilité ou la non-mouillabilité est le terme générique pour ce comportement, quel que soit le liquide particulier concerné.
Bien que les surfaces rentrantes aient été démontrées auparavant 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”, dit Wang, qui est le professeur Ford d’ingénierie et chef du département d’ingénierie mécanique du MIT.
Les résultats sont si nouveaux qu’il pourrait y avoir de nombreuses applications dans le monde réel auxquelles l’équipe n’a pas encore pensé, dit Wilke : “C’est quelque chose que nous sommes vraiment impatients de commencer à explorer”, dit-il. Mais la gestion thermique dans divers processus industriels sera probablement l’une des premières utilisations pratiques. La façon dont l’eau ou un autre fluide de travail se répand, ou ne se répand pas, sur les surfaces des condenseurs peut avoir une influence majeure sur l’efficacité de nombreux processus qui impliquent l’évaporation et la condensation, notamment les centrales électriques et les usines de traitement chimique.
“Nous avons maintenant pris une surface non mouillante et l’avons rendue mouillante”, déclare Wilke. “Les gens ont précédemment fait le cas inverse, en prenant quelque chose qui est mouillant et en le rendant non mouillant”. Ainsi, ces nouveaux travaux ouvrent 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 maintenant créer des surfaces qui présentent la plupart des combinaisons de mouillabilité imaginables”, déclare Wilke. “Je pense que cela peut définitivement 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 mouillables pourrait ouvrir la voie à de nombreuses nouvelles utilisations potentielles de ces revêtements.
Les caloducs haute température, utilisés pour conduire la chaleur d’un endroit à un autre, par exemple pour refroidir des machines ou des appareils électroniques, constituent une autre application prometteuse. “Un grand nombre deces fluides de travail sont des métaux liquides, et ceux-ci sont connus pour avoir une tension de surface très élevée”, explique M. Lu. Cela limite considérablement le choix de ces fluides, et cette nouvelle approche pourrait ouvrir de nouvelles possibilités de choix de matériaux.
Bien que les indentations complexes de la surface pour cette recherche aient 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 en utilisant l’impression 3D ou un autre processus qui pourrait plus facilement être mis à l’échelle pour des applications réelles.
L’équipe explore également les variations de taille et de forme de ces ouvertures rentrantes. Par exemple, explique Lu, alors que la surface et l’espacement de ces ouvertures 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 qui pourrait compromettre les améliorations de mouillabilité. En effet, les trous plus profonds sont plus résistants à l’évaporation, ce qui pourrait compromettre les améliorations de la mouillabilité. “La distance au fond du canal est une dimension critique qui peut affecter le comportement de mouillabilité”, explique-t-il. Ces variations sont étudiées dans le cadre de travaux de suivi.
En utilisant le mercure, dit Lu, l’équipe “a choisi notre ensemble de géométries sur la base de ce cas le plus difficile” et a pu démontrer une mouillabilité élevée. “Ainsi, pour des combinaisons moins difficiles, vous avez plus de flexibilité pour choisir des géométries probablement plus faciles à réaliser.”
“Il y a probablement beaucoup d’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 de l’équipe, dit-elle, est de “discuter avec ces différentes industries pour identifier où se trouve l’opportunité à court terme la plus proche.”
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation par le biais du Center for Nanoscale systems, par le programme coopératif du MIT et de l’Institut Masdar, et par l’Air Force Office of Scientific Research.
