« La surface la plus glissante de tous les temps » inspirée par une nouvelle compréhension de la rugosité des surfaces

Le caractère glissant d’une surface peut être ajusté en ajustant sa rugosité à l’échelle moléculaire, ont montré des chercheurs finlandais. Cela aide à expliquer pourquoi les gouttelettes d’eau peuvent facilement glisser des surfaces hydrophiles si elles sont chimiquement homogènes, et ouvre également de nouvelles possibilités pour la conception de surfaces à faible friction, permettant aux chercheurs de produire ce qu’ils pensent être la surface la plus glissante jamais créée. De telles surfaces pourraient être utilisées dans des revêtements autonettoyants.

La glissance des surfaces est sensible à l’hétérogénéité ou à la rugosité topographique et certaines études ont montré que cette sensibilité persiste jusqu’au niveau moléculaire. Néanmoins, les gouttelettes ne glissent pas facilement sur la plupart des surfaces hydrophiles, à quelques exceptions près comme celles à base de polyéthylène glycol. « Il n’y en a que quelques-uns signalés, mais (les chercheurs) n’expliquent pas vraiment l’origine », explique Robin Ras de l’université Aalto.

Ras et ses collègues ont décidé d’étudier systématiquement la manière dont le glissement de l’eau variait en fonction de l’hydrophobie en plaçant du dioxyde de silicium hydrophile vierge dans une chambre à vide et en utilisant le dépôt en phase vapeur pour former une monocouche d’octyltrichlorosilane partiellement hydrophobe à la surface. En faisant varier le temps de dépôt, ils ont créé des surfaces allant de presque entièrement hydrophiles à un patchwork d’îlots hydrophiles et hydrophobes, voire presque complètement hydrophobes.

Lorsqu’ils ont testé le caractère glissant des surfaces, ils ont constaté que l’eau glissait facilement sur les surfaces densément recouvertes d’octyltrichlorosilane hydrophobe. Mais les gouttelettes d’eau glissaient tout aussi facilement sur des surfaces hautement hydrophiles avec très peu de couverture de ce produit chimique. À couverture intermédiaire, les gouttelettes d’eau subissent une friction beaucoup plus élevée que les surfaces principalement hydrophiles ou hydrophobes. Les chercheurs se sont ensuite tournés vers des simulations de dynamique moléculaire pour expliquer pourquoi.

Source : © Sakari Lepikko et al 2023

La modélisation informatique a révélé que la couverture variable de la monocouche auto-assemblée avec de l’octyltrichlorosilane modifiait le caractère glissant d’une surface. Une faible couverture et une couverture élevée produisent toutes deux des surfaces très glissantes, mais pour des raisons différentes. Mais là où le revêtement était inégal, la surface était beaucoup moins glissante et les gouttelettes d’eau avaient tendance à s’accumuler.

Dans le cas hautement hydrophobe, une gouttelette d’eau touche la surface selon un angle très prononcé, de sorte que seule une zone relativement petite de la gouttelette entre en contact et glisse facilement. Ce principe de texture d’une surface pour réduire la surface de contact d’une gouttelette est bien connu et couramment exploité dans les surfaces superhydrophobes. Les autres cas ont davantage surpris les chercheurs. Dans le cas hydrophile à faible couverture, l’eau s’étale pour former un mince film recouvrant la surface. D’autres gouttelettes d’eau formaient de larges contacts interfaciaux avec cette couche, mais comme elle était très mobile, elle lubrifiait leur passage à travers la surface. Cependant, dans le cas intermédiaire, cet effet de surface hydrophile est rompu par les îlots hydrophobes. Au lieu de patiner sur la surface d’une couche d’eau contiguë ou de effleurer une surface hydrophobe, les gouttelettes d’eau formaient des flaques à plusieurs reprises. «En fait, nous ne nous attendions pas à cela lorsque nous avons réalisé nos travaux, mais avec le recul, cela correspond très bien à l’idée selon laquelle l’hétérogénéité est liée à la friction, c’est donc plutôt logique», explique Ras.

Les chercheurs ont étendu leurs travaux pour créer une surface superhydrophobe super glissante. Ils ont développé leur monocouche hydrophobe sur une couche de silicium noir recouverte d’oxyde d’aluminium, qui a été texturée à l’échelle micrométrique pour minimiser la zone de contact des gouttelettes et créer une surface exceptionnellement superhydrophobe. «L’approche habituelle consiste à réduire la zone à laquelle la gouttelette peut entrer en contact avec la surface en ayant une structure aussi fine que possible, mais les gens ne se sont pas vraiment concentrés sur le réglage de la chimie de la surface», explique Ras. Ici, cependant, les chercheurs ont combiné l’hydrophobie physique et chimique. «La zone de contact est très petite et, là où elle entre en contact avec la surface, vous avez cet effet lubrifiant», explique Ras. Le résultat, pensent-ils, est la surface la plus glissante jamais créée. Ras estime que l’approche est évolutive et affirme avoir eu « de nombreuses discussions avec des entreprises qui ont manifesté leur intérêt ».

Chiffre

Image en microscopie électronique à balayage de la surface de silicium recouverte d’oxyde d’aluminium et de la monocouche (à gauche). Le contact des gouttelettes d’eau avec la surface est très faible grâce à la microstructure de la surface, la rendant extrêmement glissante (à droite)

«Je pense qu’il s’agit d’un article important», déclare Mathew Mate du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC aux États-Unis, bien qu’il soit curieux de connaître la surprise des chercheurs. «Cela n’était pas contre-intuitif pour moi», dit-il. « J’aime la recherche scientifique effectuée dans cet article, et elle montre vraiment au niveau moléculaire ce que je pensais arriver. » Il ajoute également que « si la surface superhydrophobe est la plus glissante à ce jour, il s’agit alors d’une découverte très importante en soi ».