Surfaces super'hydrophobes

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  • Publié le : 7 juillet 2010
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Physique statistique

Les surfaces super-hydrophobes
Qu’il s’agisse de limiter la buée, le givre ou le dépôt de salissures, nombreuses sont les situations pratiques où l’on cherche à empêcher les gouttes d’adhérer à leur support. La seule nature chimique des surfaces est, à cet effet, impuissante, et nous décrivons ici quelques stratégies permettant de réaliser des substrats ditssuper-hydrophobes, presque parfaitement non-mouillants. Une meilleure compréhension des mécanismes de la super-hydrophobie, couplée à l’investigation des dynamiques très inhabituelles qui en résultent, devrait à terme déboucher sur de nouveaux matériaux aux propriétés étonnantes.

De l’hydrophobie à la super-hydrophobie

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n certain nombre de matériaux, comme les cires ou le téflon, sont hydrophobes :des gouttes d’eau posées sur ces surfaces les rejoignent avec un angle de contact (voir l’encadré 1) supérieur à 90°, et souvent compris entre 100 et 120°. La distinction hydrophile/hydrophobe est particulièrement justifiée si l’on s’intéresse à l’imprégnation d’un matériau poreux : mis en contact avec un liquide, seuls les matériaux poreux hydrophiles seront envahis par celui-ci. C’est pour celaque l’on cire les planchers : mis au contact de l’eau, le bois ciré ne la boira plus. L’angle de contact lui-même est une quantité souvent mal définie : pour un système donné, on observe en général toute une plage d’angles possibles. Cet effet, appelé hystérésis de l’angle de contact (encadré 1), est responsable de l’accrochage des gouttes sur les vitres ou les pare-brise ; si sa cause est connue(il est lié à la présence de défauts physiques ou chimiques à la surface du solide), on ne sait pas en général prédire quantitativement sa valeur, pour une surface d’une défectuosité donnée. Or dans bien des applications pratiques on cherchera à réaliser des matériaux non-adhésifs pour l’eau. On peut y parvenir par deux moyens différents : soit en supprimant l’hystérésis, soit en réduisant lecontact solide/liquide, c’est-à-dire en augmentant l’angle de contact. La première solution est en général inapplicable : elle suppose la réalisation de substrats presque parfaits, qui (au-delà des difficultés à les élaborer) ne conservent que peu de temps leur perfection. Et il se trouve (comme l’a montré Zisman dans les années 60) que la chimie seule ne permet pas de réaliser la seconde : on neconnaît pas de matériau pour lequel l’angle de contact de l’eau dépasse 125° (environ). De ce point de vue, on comprend l’importance des

observations anciennes de Wenzel et de Cassie, qui ont les premiers suggéré qu’un matériau hydrophobe (une cire, par exemple) voit cette hydrophobie renforcée par la présence d’une micro-texture. Cet effet est très remarquable : d’un angle d’environ 120° quand lematériau est plan, on passe à un angle pouvant dépasser 170° quand il est rugueux (figure 1) : une goutte, dès lors, n’adhère pratiquement plus à son support. Nous nous proposons ici d’analyser les mécanismes de la super-hydrophobie, grâce en particulier à l’utilisation de surfaces rugueuses modèles. Nous montrons aussi que « texturer le liquide » peut être une autre stratégie pour exalter lenon-mouillage. Nous explorons ensuite les propriétés dynamiques du non-mouillage, qui lui confèrent son intérêt

Figure 1 - Goutte d’eau millimétrique sur une surface super-hydrophobe texturée par un réseau de plots micrométriques, qui engendre les irisations visibles sur la photo.

Article proposé par : David Quéré, david.quere@college-de-france.fr Laboratoire de Physique de la Matière Condensée,CNRS/Collège de France. Ont participé à ces travaux J. Bico, D. Richard, P. Aussillous, A.-L. Biance et M. Callies (Thèses), A.Lafuma et F. Chevy (post-doctorats) ainsi que C. Clanet (IRPHE, Marseille) et K. Okumura (Ochanomizu University, Tokyo) au travers de nombreuses collaborations.

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Encadré 1

Les bases du mouillage
Sur un solide plan et homogène, l’angle de contact d’une...
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