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Pour les TIPE et TPE

Surfaces superhydrophobes, tension de surface etc.

Quelques réponses à des questions fréquemment posées :

  • L’énergie qui pilote l’étalement de la goutte ou qui lui donne sa forme plutôt ronde est l’énergie de surface, ou plutôt il faut considérer la compétition entre les énergies d’interface. A ce niveau de description, on ne prend pas en compte l’énergie cinétique. Selon les problèmes, l’énergie potentielle comprend différentes contributions, et l’on pourrait dire que l’énergie dont on parle ici est de l’énergie potentielle (mais il ne s’agit pas de la gravité).
  • il y a une bonne discussion de l’énergie de surface (appelée ici tension de surface) ici. Pour une mise en oeuvre esthétique de la notion de tension de surface, voir mon film sur le suminagashi.
  • une autre expérience démonstrative pour comprendre le phénomène de tension de surface est visible sur cette video des Cobayes (expérience 3). L’élastique coupé (vers 4 min) flotte sur de l’eau pure. Le liquide qui est versé au milieu de l’élastique coupé est du liquide vaisselle dilué. L’élastique est propulsé parce que la tension de surface de l’eau pure est bien plus forte que celle de l’eau avec le liquide vaisselle dedans. Pour refaire l’expérience, il faut changer l’eau et remettre de l’eau pure.
  • Si on considère le phénomène de superhydrophobie en tant que tel, je ne connais pas de vraie application, de vrai produit dans lesquels le concept sert vraiment, à part des petits gadgets (rétroviseur...). Si vous en trouvez, faites m’en part ! Par contre deux domaines où ce genre de concepts (mais pas exactement ceux là) est important sont l : 1) les échangeurs thermiques (les gouttes se condensent il faut les évacuer) 2) l’antigivre (on aimerait pouvoir se débarrasser facilement du givre, ou l’empêcher de se former - avions etc...) . Et ce sont deux problèmes difficiles pour lesquels on n’a des solutions techniques que partielles.
  • en ce qui concerne notre compréhension de ces phénomènes, ce qui nous a fait avancer, c’est la comparaison non pas avec un phénomène naturel, mais avec un tout autre domaine : la déformation des métaux ! Nous avons récupéré de très vieux concepts (années 30) destinés à expliquer la ductilité des métaux (on appuie, il reste une empreinte) pour expliquer le comportement de gouttes sur des surfaces texturées.
  • Pour ce qui est de l’inspiration qui vient de la nature, la bio-inspiration ; ce n’est que partiellement un moteur. Ce qui a débloqué le domaine au cours des vingt dernières années, c’est au moins autant les progrès de la microélectronique, grâce auxquels on a des techniques simples pour faire des textures bien contrôlées sur des surfaces de grande taille. Sinon, les feuilles de lotus on en voit depuis les Egyptiens au moins...
  • Du côté des matériaux cependant, il est intéressant d’aller voir ce qui existe dans la nature, où certains matériaux sont très en avance sur nos technologies. Dans le domaine superhydrophobe, la double texturation des feuilles de lotus par exemple est très intéressante : on sait bien à quoi elle sert, mais je ne suis pas sûr qu’on comprenne vraiment comment elle fonctionne !
  • Comment fabriquer ces surfaces bio-inspirée ? Par exemple pour les feuilles de lotus, une des caractéristiques est qu’elles se réparent toutes seules en cas de dommage (les tissus/structures repoussent). On ne sait pas faire ça sur une surface artificielle !
  • Les surfaces superhydrophobes posent un problème conceptuel (comment l’eau s’accroche-t-elle à ces surfaces) et le résoudre nous permettra de mieux cerner les notions essentielles pour l’interaction entre un liquide et une surface solide. Pour moi c’est un problème académique, modèle et qu’on a fini par bien poser (une fois qu’on a résolu une question, on la pose clairement - souvent, avant de l’avoir résolue, c’est difficile de savoir quelle est exactement la question - c’est une des difficultés majeures de la recherche...).
  • Une surface superhydrophobe doit combiner textures et chimie. Je ne connais pas bien la technique laser/metal, mais il doit y avoir de la chimie en jeu aussi !
  • Une technique possible pour générer la rugosité est par réduction de électrochimique du nitrate d’argent par le cuivre. voir http://www.lawrencehallofscience.org/sites/default/files/pdfs/college_resources/modules/Superhydrophobic/Superhydrophobic_Surfaces.pdf. Une autre est de déposer de la suie en passant une surface froide au dessus d’une bougie. Dans les deux cas il faut ensuite traiter la surface chimiquement, par exemple avec un imperméabilisant pour chaussure.
  • On lit parfois qu’un pare-brise hydrophobe permet de séparer les gouttes en de toutes petites gouttes : à l’impact, la goutte, si elle adhère mal (surface hydrophobe), va se briser en plus petites. Si elle adhère bien (surface hydrophile), elle va se coller à la surface sans se scinder.
  • Q. : en rapport avec l’article, comment avez-vous réussi à « construire » si c’est le bon terme, ces fameux plots cylindriques de 10 micromètres ? On utilise les mêmes outils de fabrication que pour une puce électronique. On les appelle des méthodes de lithographie. Avec ces méthodes, nour fabriquons un premier moule dont nous nous servons ensuite pour imprimer les reliefs de nos surfaces. On peut ainsi avoir de multiples échantillons avec des motifs bien déterminés.
  • Q. : avez-vous obtenu grâce à des recherches plus de réponses sur la conception de surfaces auto-nettoyantes (depuis la parution de l’article) ? Oui, on a quelques résultats plus récents qui utilisent ces premiers travaux pour réinterpréter une relation connue depuis longtemps (dite relation de Cassie, voir ci-dessous) entre la densité de plots et l’angle de contact. On se doutait bien que l’interprétation qui était acceptée jusqu’à maintenant n’était pas correcte, mais on n’en avait pas vraiment de meilleure. Nos résultats récent nous ont amenés à une interprétation qui me semble beaucoup plus plausible, et plus intéressante, ainsi d’ailleurs qu’à formuler une expression plus exacte de la relation.
  • Q. : une question plus générale, qui paraît simple, mais qui nous pose un petit problème pour nos TPE : selon vous quelle est la différence entre hydrophobie et imperméabilité ? Perméable suggère un transport de liquide à travers le substrat. Dans le cas du mouillage, on ne considère pas que le liquide peut pénétrer le substrat, mais on s’intéresse seulement à la façon dont il se comporte vis-à-vis de la surface : va-t-il s’étaler ou non ? La confusion peut émerger, cependant du fait que si un liquide ne peut pas mouiller une surface poreuse (et hydrophobe) alors il ne pourra pas traverser ce substrat non plus, du moins à l’état de liquide. Mais cette même matière pourrait le traverser à l’état de gaz, par exemple. Il se trouve d’ailleurs qu’une des premières études des questions d’hydrophobie concernait justement la surface des tissus. Elle a été menée par M. Cassie vers 1940. Il était employé par un consortium de producteurs anglais de tissus.
  • Q. : une dernière question qui est sans doute hors sujet : connaissez-vous l’action que réalise un spray imperméabilisant ou hydrophobe sur une surface (au niveau moléculaire j’entend) ? Vous soulignez la nécessité de conjuguer rugosité et chimie de surface pour obtenir une surface vraiment hydrophobe. Les surfaces à plots sont ensuite revêtues d’une couche fluorée, qui ressemble à du Téflon, afin d’acquérir une incompatibilité chimique plus grande vis-à-vis de l’eau. C’est cette action qui est produite par le spray imperméabilisant, avec moins d’effet de la rugosité dans ce cas.

N’hésitez pas à m’écrire - si jamais je ne répond pas, veuillez m’en excuser : c’est que j’ai reçu trop de messages et que je ne peux plus y répondre tout en assurant le reste de mes fonctions !