GÉNÉRALITÉS SUR LES SURFACES NANOSTRUCTURÉES

Les surfaces nanostructurées constituent un ensemble de matériaux dont l’une des dimensions peut prendre une taille nanométrique (W1). Certaines d’entre elles, présentent des propriétés anti-mouillantes. En effet, le phénomène de mouillabilité s’est fortement inspiré du biomimétisme pour se développer. Par la suite des scientifiques armés de modèles mathématiques comme ceux de Young, Wenzel et Cassie-Baxter, ont essayé d’expliquer la géométrie de ces matériaux à mouillabilité particulière. La deuxième partie du chapitre s’intéresse à quelques applications des surfaces anti-mouillantes.

Les surfaces anti-mouillantes

L’observation des propriétés de surface de certaines espèces végétales et animales a mis en lumière des phénomènes de mouillabilité extrêmes (21) tels que l’anti adhésion de l’eau à la surface de certains matériaux.

Le phénomène le plus connu de mouillabilité extrême est l’effet auto-nettoyant des feuilles de Nelumbo Nucifera aussi connu sous le nom de Lotus (22). En effet, à la surface des feuilles de Lotus, l’eau perle et sous de très faibles angles d’inclinaison, roule sur la feuille entraînant les saletés qui s’y trouvent permettant ainsi de limiter toutes autres contaminations bactériennes. Ce phénomène, qualifié de phénomène extrême de mouillabilité, est communément appelé effet Lotus. Il est dû à la morphologie de la feuille ainsi qu’à sa composition. L’observation à l’échelle du micromètre de la feuille montre une morphologie sous forme de « plot ». A l’échelle du nanomètre, ces « plots » présentent eux aussi des nanocristaux (22) : la composition de la feuille, faite de cristaux de cire, joue un rôle dans le comportement mouillant de ces plantes. Plus précisément, ce n’est pas la composition de la feuille qui importe réellement mais plutôt la cuticule, c’est-à-dire une couche qui protège les organes aériens des végétaux. La cuticule est composée successivement de couches de cire et d’acide gras hydrophobes (hydrocarbure aliphatique) appelés cutine, cet ensemble est nommé la cire cuticulaire.

En plus les feuilles de lotus, la flore présente d’autres surfaces superhydrophobes, par exemple la feuille de taro. Une structuration de surface et une propriété de mouillabilité similaire aux feuilles de lotus ont également été observées sur la feuille de taro. L’épiderme de ces feuilles présente une superhydrophobie avec une structuration hiérarchique unique comme le montre la figure 2. Sur le dessus de la surface de nombreuses bosses elliptiques avec un diamètre moyen d’environ 10 nm sont uniformément réparties dans leurs grottes correspondantes, semblables à des nids, formant une microstructure sur la feuille. À l’échelle nanométrique, la surface présente de nombreuses broches harmonieusement disséminées sur toute la surface pour augmenter la quantité d’air emprisonné dans la surface .

Les théories de la mouillabilité

La mouillabilité peut être définie comme l’aptitude d’un liquide à s’étaler sur une surface solide (W1). L’aspect identique entre toutes les surfaces naturelles anti-mouillantes est leur rugosité. Et dans la plupart des cas, en dehors de la dimension micrométrique les surfaces sont en plus composées d’une seconde échelle de rugosité, de dimension nanométrique. Lorsque l’on dépose une goutte de liquide sur une surface solide horizontale, elle adopte à l’équilibre une forme particulière de tel sorte qu’un angle peut se former entre : le plan de la surface et la tangente à la goutte au point d’intersection (solide/liquide). Cet angle est défini comme l’angle de contact θ. En pratique, l’angle de contact θ prend des valeurs variées .Si on pose une goutte d’eau sur un matériau (surface solide) et que l’angle de contact est supérieur ou égal à 90°, ce matériau est hydrophobe. Si l’angle de contact est supérieur ou égal à 150°, alors le matériau est superhydrophobe. Si l’angle de contact est inférieur à 90°, alors le matériau est considéré comme hydrophile (W2).

La loi de Young définit donc une seule valeur d’angle de contact. Mais d’autres scientifiques ont montré que ce calcul d’angle à valeur unique pose problème car il existe pour chaque matériau toute une plage de valeurs comprises entre l’angle d’avancée θa et l’angle de reculée θr (θr < θa) (figure 7). L’écart entre ces valeurs est appelé hystérésis et est dû aux imperfections du solide. L’hystérésis est la cause de l’accrochage du liquide au solide (W2).