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Mouillage des substrats microtexturés: des propriétés d'échelle utiles à la microfabrication

La rugosité ou la structure topographique de surface d’un matériau (substrat) est un paramètre déterminant pour le contrôle de sa mouillabilité(*) par un fluide. Des chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse (CNRS/ /Université de Haute-Alsace) et de l’Institut Charles Sadron (CNRS), tous deux membres de l’Institut Carnot MICA (Materials Institute Carnot Alsace), ont montré qu’il était possible de reproduire à l’identique des phénomènes de mouillage, en faisant varier de façon homothétique des longueurs caractéristiques décrivant la topographie d’une surface. Ces travaux sont parus dans le journal Langmuir.

Le contrôle de la mouillabilité par la topographie de surface est connu depuis les années 1960. Les travaux sur ce sujet se sont multipliés ces vingt dernières années, suite à la découverte de l’origine de la superhydrophobie des feuilles de lotus par Barthlott et Neinhuis. De nombreux travaux ont depuis porté sur la réalisation de telles surfaces, motivés par le développement des techniques de micro et nanofabrication, alors que simultanément, d’autres surfaces naturelles présentant cette propriété superhydrophobe étaient découvertes, dans le domaine végétal et animal. Depuis, en plus des surfaces superhydrophobes, les recherches se sont orientées vers la réalisation de surfaces superhydrophiles, ou encore, superoléophobes par exemple.

Du point de vue fondamental, une question récurrente et commune à tous ces travaux est la détermination des longueurs caractéristiques décrivant la topographie de surface, qui déterminent ces phénomènes de mouillage, et en particulier, les transitions entre les différents régimes (états) de mouillage. Ainsi, différents auteurs ont proposé des lois permettant de prévoir le mouillage d’une surface en fonction de sa topographie.

Les chercheurs de l’Institut de science des matériaux de Mulhouse et de l’Institut Charles Sadron se sont intéressés en particulier à celle décrivant l’hystérèse de l’angle de contact d’une goutte à l’état suspendu, et à celle définissant les conditions d’apparition de facettes (facettage) sur une goutte imbibant une topographie régulière. Les auteurs ont utilisé dans cette étude, des surfaces texturées de façon régulière par des microplots. Après avoir mis en évidence dans ces lois des invariances d’échelle exprimées au travers de la densité surfacique et du rapport de forme des microplots, ils ont vérifié expérimentalement ces invariances.

Dans le cas d’une goutte d’eau suspendue sur des microplots, ils ont ainsi pu vérifier que l’hystérèse de mouillage de cette goutte restait identique si l’on faisait varier de façon homothétique la section L des microplots et leur espacement d, de sorte à maintenir une aire de contact entre la goutte et la surface des microplots constante en fraction surfacique. Dans le cas d’une goutte imbibant la microstructure de surface, ils ont également pu reproduire les conditions d’ancrage de la ligne triple et ainsi, le facettage d’une goutte d’éthanol, cette fois en faisant varier de façon homothétique la hauteur h et l’espacement d entre microplots. Cette reproduction de l’ancrage et du facettage est montrée sur les trois photographies de gouttes (vue de dessus) de la figure ci-dessous, qui montre également les images de microscopie électronique à balayage des microplots de même rapport de forme produisant un tel ancrage. Les images de microscopie électronique à balayage sont reproduites à la même échelle, pour des besoins de comparaison visuelle.

Ces résultats concernent de nombreux domaines technologiques comme la microfluidique ou plus généralement tout domaine dans lequel il est nécessaire de contrôler la formation d’une interface entre un liquide et une surface microstructurée. Ils démontrent en effet que des phénomènes de mouillage souhaités peuvent être reproduits sur des microstructures de surface plus larges, de réalisation technique plus aisée et moins coûteuse, à condition de respecter les rapports de forme de ces microstructures qui gouvernent le phénomène de mouillage en question.

vonna

(*) Aptitude de la surface d'un matériau à se laisser mouiller par les liquides ; faculté pour une substance solide de recevoir un liquide en lui permettant de s'étaler sur la surface la plus grande possible.

Référence

Valentin Hisler, Laurent Vonna, Vincent Le Houerou, Stephan Knopf, Christian Gauthier, Michel Nardin, Hamidou Haidara

A model experimental study of scale invariant wetting behaviors in Cassie-Baxter and Wenzel regimes

Langmuir 15 juillet 2014

DOI: 10.1021/la501225m

Contact chercheur

Laurent Vonna, Institut de science des matériaux de Mulhouse

Courriel : laurent.vonna@uha.fr

Tél. : 03 89 60 87 18

Contacts institut

Christophe Cartier dit Moulin, Jonathan Rangapanaiken