Surface hydrophobes

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  • Publié le : 28 décembre 2009
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LE MOUILLAGE NUL (OU PRESQUE)

DAVID QUÉRÉ, JOSÉ BICO & DENIS RICHARD Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, Collège de France, 75231 Paris Cedex 05.

La recherche et la mise au point de surfaces non-mouillantes, en particulier vis-àvis de l’eau, est un enjeu important de la science des interfaces. Idéalement, de telles surfaces doivent avoir des propriétés d’évacuation ou deséchage qui les rendent intéressantes pour bien des applications pratiques (revêtements de salles de bain, flacons, vitres, matériaux imperméables, etc.). Les tentatives dans ce domaine ont donc été nombreuses, depuis une cinquantaine d’années, et très vite l’idée a été d’associer à des propriétés d’hydrophobie “banales” de la rugosité [1]. En effet, l’action conjuguée de ces deux ingrédients conduit,dans certains cas, à des propriétés dites de super-hydrophobie, c’est-à-dire à des angles de contact apparents supérieurs à 160°, qui donnent à une goutte posée l’aspect d’une perle [2]. Ceci s’observe sur certains matériaux naturels, comme les feuilles de nénuphar ou les plumes de canard, où les photos au microscope électronique révèlent l’existence de textures microniques à la surface solide,couvertes d’une mince pellicule de cire qui assure leur hydrophobie [3]. Une première question est donc de comprendre comment une texture renforce l’hydrophobie d’un matériau hydrophobe – ce qui peut ensuite aider à définir des designs de surface conduisant à de tels effets. Nous décrirons ensuite les propriétés d’usage de ces matériaux, en nous concentrant sur deux situations communes pour unegoutte, qui sont le dévalement d’une pente et l’impact.

Statique Posée sur une surface lisse et homogène chimiquement, une goutte rejoint ce solide avec un angle de contact qui dépend des valeurs des différentes tensions de surface en jeu. En effet, chacune de ces tensions tire sur la ligne de contact, ligne de coexistence des trois phases solide, liquide et vapeur, afin de réduire l’aire del’interface qui lui est associée. L’angle est donc une propriété locale, que l’on déduit de l’équilibre de ces tensions (loi de Young). Une surface hydrophobe sera par définition une surface pour laquelle l’angle de contact (vis-à-vis de l’eau) sera supérieur à 90°. Les surfaces lisses les plus hydrophobes que l’on sait réaliser ont des angles de contact de l’ordre de 120°.

1

Le mécanisme principalqui est (selon nous) responsable d’une amplification de l’hydrophobie par la rugosité est le piégeage d’air sous la goutte [4]. Plus le solide sous la goutte est aéré, plus celle-ci a l’allure d’une goutte d’eau dans l’air, qui est sphérique. La question pratique est donc de définir sous quelles conditions on peut promouvoir le piégeage de poches d’air sous la goutte. Il faut pour cela que ledesign de la surface permette aux nombreuses interfaces liquide/vapeur (qui limitent ces poches d’air) de rejoindre la surface solide avec l’angle de Young, pour satisfaire la condition (locale) d’équilibre de chacune des lignes de contact. La Figure 1a montre l’exemple d’une surface à la rugosité sinusoïdale. On comprend aisément qu’à longueur d’onde donnée, seules les déformations d’amplitude assezélevée permettront aux interfaces liquide/vapeur de rejoindre le solide avec un angle de Young θ de 120°. En terme de rugosité, qui est le rapport de la surface réelle du solide sur sa surface projetée, il existera donc pour ce motif un seuil audelà duquel le piégeage d’air sera possible.
air

θ
air

Figure 1

On peut arriver au même résultat en élaborant des matériaux à la texture plusgéométrique. Une surface solide avec un motif en créneaux (Figure 1b), par exemple, permet le piégeage d’air, la ligne de contact s’accrochant sur les angles des créneaux : microscopiquement, l’angle droit des créneaux est une portion de surface dont la pente passe continûment de l’horizontale à la verticale, et la ligne de contact se positionne à l’endroit où la condition de Young est...
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