De la nature à la bionique: le passé et le présent des matériaux superhydrophobes

Le matériau superhydrophobe est un matériau qui repousse l'eau, et les gouttelettes d'eau ne sont pas étalées de manière coulissante sur sa surface pour maintenir la forme sphérique, obtenant ainsi l'effet d'auto-nettoyage par roulement. La mouillabilité est l'une des propriétés importantes de la surface des matériaux solides. Les facteurs clés déterminant les propriétés de mouillage de surface du matériau comprennent la composition chimique de la surface du matériau et la géométrie microscopique de la surface. Par conséquent, les scientifiques ont une surface avec un angle de contact statique avec l'eau supérieur à 150° et un angle de roulement inférieur à 10° appelé surface superhydrophobe. Les matériaux superhydrophobes ont généralement une structure composite micro-nano et un produit chimique à faible énergie de surface, qui est également une condition préalable pour devenir un matériau superhydrophobe. En raison de ses excellentes caractéristiques d'auto-nettoyage, de séparation huile-eau, de résistance à la corrosion, d'anti-givrage et d'anti-buée, les surfaces super-hydrophobes ont été privilégiées par les scientifiques des matériaux ces dernières années, attirant un grand nombre de scientifiques à investir dans le recherche de matériaux super-hydrophobes.

En fait, il y a plus de 2 000 ans, les gens ont découvert que certaines plantes poussent dans la boue, mais ses feuilles sont presque toujours propres, un exemple typique est la feuille de lotus. Les fleurs de lotus poussent généralement dans les marécages et les eaux peu profondes, mais elles ont les caractéristiques de "boue et non de teinture", ce qui fait de la fleur de lotus un symbole de pureté depuis des milliers d'années. La poussière et la saleté sur la feuille de lotus peuvent être facilement emportées par les gouttes de rosée et la pluie, gardant la surface propre. Les scientifiques appellent ce phénomène de sous-nettoyage "l'effet lotus".

Cependant, le mécanisme de la feuille de lotus toujours maintenue propre n'a pas été connu jusqu'au développement de la microscopie électronique à balayage (SEM) au milieu des années 1960, et les gens ont progressivement dévoilé le secret de la feuille de lotus. En 1977, Barthlott et Neinhuis de l'Université de Berne, en Allemagne, ont étudié la structure de surface de la feuille de lotus par microscopie électronique à balayage (comme le montre la figure 1). Il est révélé que la structure mastoïdienne micron à la surface de la feuille de lotus et la substance cireuse sont la clé de sa fonction autonettoyante. Ils croient que «l'effet de feuille» qui en résulte est causé par une combinaison d'un matériau à faible énergie de surface tel qu'une substance cireuse et d'une structure rugueuse au micron du processus laiteux.

Des études ont montré qu'un grand nombre de structures de microémulsion cireuse de la taille d'un micron sont réparties à la surface de la feuille de lotus (Fig. 1 (a)); un grand nombre de structures nanométriques à fines ramifications sont réparties sur chaque mastoïde (Fig. 1(b)) ; De plus, il existe de nombreux tubes minces tridimensionnels cireux sur l'épiderme de la feuille de lotus (Fig. 1 (c)). Une telle structure composite micro-nano se traduit par une faible surface de contact entre les gouttelettes d'eau et la surface de la feuille de lotus. Par conséquent, le composant de cire de surface de la feuille de lotus et la structure composite micro/nano fonctionnent ensemble pour conférer une superhydrophobicité unique et une faible adhérence à la feuille de lotus. L'angle de contact et l'angle de roulement de l'eau sur la feuille de lotus sont respectivement d'environ 160° et 2°. Les gouttelettes d'eau sont presque sphériques à la surface de la feuille de lotus et peuvent rouler librement dans toutes les directions, tout en éliminant la poussière à la surface de la feuille de lotus, montrant un bon effet autonettoyant (Fig. 1(d)). L'effet lotus, c'est-à-dire la surface autonettoyante, présente une forte capacité anti-pollution lorsque l'angle de contact avec l'eau est supérieur à 150°, c'est-à-dire que les contaminants de surface tels que la poussière peuvent être emportés par les gouttelettes d'eau qui tombent sans laissant aucune trace.

Figure 1 Image SEM de la surface de la feuille de lotus

En plus des feuilles de lotus, de nombreuses plantes et animaux dans le monde sont superhydrophobes. Les gouttelettes d'eau sur les feuilles de riz sont plus individuelles que les gouttelettes d'eau à la surface de la feuille de lotus. Contrairement aux gouttelettes d'eau à la surface de la feuille de lotus, qui peuvent rouler dans n'importe quelle direction, les gouttelettes d'eau sur les feuilles du riz peuvent facilement rouler dans le sens de la croissance de la lame, alors qu'il est plus difficile de rouler dans le sens vertical. . En effet, les feuilles de riz ont un réseau de protubérances orienté ligne et une structure de rainure unidimensionnelle (Fig. 2 (a)). Dans le sens horizontal à la croissance de la lame, l'angle de roulement de la gouttelette est de 3° à 5°, et dans le sens vertical, l'angle de roulement est de 9° à 15°. L'alignement linéaire de la structure mastoïdienne à la surface de la feuille de riz fournit aux gouttelettes différentes barrières énergétiques qui s'infiltrent dans les deux sens. Semblable aux ailes d'un papillon, lorsque les ailes du papillon sont ventilées, les gouttelettes d'eau rouleront le long de l'axe de l'axe afin que les gouttelettes ne mouillent pas le corps du papillon. Il s'avère que les ailes du papillon sont recouvertes d'un grand nombre d'écailles micro-nano orientées dans l'axe de l'axe (Fig. 2(b)). Cette structure micro-nano hautement directionnelle affecte efficacement le comportement de mouillage des gouttelettes d'eau, de sorte que les gouttelettes d'eau peuvent facilement rouler dans la direction radiale tout en étant intégrées dans la direction opposée. Deux états différents peuvent être réglés en contrôlant la posture du battement des ailes ou la direction de l'air traversant la surface des ailes. Cette adhérence anisotrope permet aux ailes de papillon d'être nettoyées directionnellement dans un environnement humide, assurant la stabilité pendant le vol et évitant l'accumulation de poussière.

Contrairement aux petites gouttelettes d'eau sur la surface de la feuille de lotus qui peuvent être facilement roulées, les petites gouttes d'eau sur les pétales de rose ont tendance à adhérer à la surface. Grâce à l'exploration microscopique des pétales de rose, les scientifiques ont découvert que la surface des pétales de rose est composée de mastoïdes de la taille d'un micron, tandis qu'à l'extrémité des mastoïdes, il existe de nombreuses structures pliées à l'échelle nanométrique, et cette structure nano-pliée est le résultat de haute adhérence des pétales de rose. Le facteur clé (Figure 2 (c)). Le gaz peut être présent dans la structure nano-pliée, tandis que l'eau peut facilement pénétrer entre le micro-mammaire. La même chose que les pétales de rose est la semelle du gecko. La semelle du gecko est super hydrophobe et autonettoyante, mais ce qui excite les scientifiques, c'est que la semelle du gecko a une capacité ultra-adhésive à se déplacer librement sur une surface lisse. Cela est dû aux poils micronisés bien alignés à la surface de la semelle du gecko, qui sont composés de centaines d'extrémités nanométriques plus petites (Fig. 2 (d)). La force de Van der Waals générée par le contact entre les nanopointes des poils de gecko et la surface solide est le support du gecko pour ramper sous différents angles.

Les yeux composés du moustique sont disposés avec de petits yeux hexagonaux serrés et une saillie hexagonale serrée est disposée sur chaque petit œil (Fig. 2 (e)). Cette structure composite unique rend les yeux composés des moustiques extrêmement hydrophobes. Lorsque le moustique est exposé à un environnement brumeux, on peut constater que de très petites gouttelettes ne se forment pas à la surface de l'œil du moustique et qu'une grande quantité de gouttelettes se condense sur les peluches autour de l'œil du moustique. Cette nature extrêmement hydrophobe empêche les gouttelettes d'adhérer et de s'agglomérer à la surface des yeux du moustique, lui donnant une vue dégagée. Cette découverte fournit une idée de recherche inspirante pour le développement de matériaux de surface antibuée secs.

La loutre peut facilement marcher ou même sauter sur l'eau. Le secret est la puissante superhydrophobicité de ses pattes velues. Lorsque la loutre se tient à la surface de l'eau, ses pattes forment un vortex d'une profondeur d'environ 4 mm au lieu de percer la surface de l'eau. Chaque jambe a une force superhydrophobe forte et durable qui peut supporter environ 15 fois son poids. Dans le même temps, la microstructure spéciale de la jambe de sangsue a également été trouvée, et un grand nombre de microstructures ordonnées en forme de bande recouvraient les jambes de la sangsue, ces microstructures étaient orientées à un angle d'environ 20°, et chaque structure micro-ruban Il consiste en une nano-rainure en spirale (Fig. 2 (f)). Cette structure multi-échelle micro-nano en couches unique capture efficacement le gaz entre la jambe de sangsue et la surface de l'eau pour former un film de gaz puissant. La capacité robuste et super hydrophobe des pattes de loutre inspire la conception de nouveaux équipements aquatiques.

Fig. 2 Différentes microstructures de différents animaux

Révélation naturelle : de « l'effet lotus » des surfaces autonettoyantes à la construction de surfaces superhydrophobes

Loi humaine, loi terrestre, ciel et loi, la loi Tao est naturelle. En étudiant les feuilles de plantes à caractère superhydrophobe dans la nature, on peut savoir que la préparation de surfaces superhydrophobes nécessite deux conditions : l'une est que la surface du matériau ait une très faible énergie de surface ; l'autre est que la surface du matériau solide a une certaine rugosité et a un micron. Et la double structure de nano.

À partir de l'angle de contact statique de la surface solide, la clé pour déterminer la lyophobie de la surface solide réside dans la composition chimique de la surface du matériau, et la rugosité de la surface ne fait que renforcer cet effet. Par conséquent, lors de la construction d'une surface solide superhydrophobe, il s'agit généralement de construire une surface rugueuse sur une surface à faible énergie de surface ou de modifier une substance à faible énergie de surface sur une surface rugueuse. Tout d'abord, les gens ont commencé à étudier la préparation de matériaux à faible énergie de surface et ont découvert que les matériaux solides ayant l'énergie de surface la plus faible sont les matériaux contenant du siloxane et du fluor. Parmi eux, les matériaux contenant du fluor sont les plus excellents et leur énergie de surface est inférieure d'environ 10 mN/m à celle du siloxane, et le fluor est le plus petit rayon atomique de tous les éléments à l'exception de l'hydrogène. Il a une forte électronégativité, une énergie de liaison fluorocarbonée élevée, une faible énergie de cohésion et une stabilité thermique et chimique élevée. Il présente les caractéristiques de résistance à la chaleur, aux intempéries, aux produits chimiques et à un faible indice de réfraction. Lorsque la surface du matériau - les groupes CF3 sont empilés dans un ordre serré d'hexagones, la surface solide a la tension superficielle la plus faible de 6,7 mJ/m2. Par conséquent, la plupart des matériaux actuellement préparés avec une faible énergie de surface sont principalement des matériaux contenant du fluor. De plus, les gens ont commencé à essayer différentes méthodes pour contrôler la structure de surface afin de préparer des revêtements superhydrophobes. À l'heure actuelle, les méthodes d'auto-assemblage couche par couche, les méthodes de dépôt physique ou chimique en phase vapeur, les méthodes de gravure, les méthodes de gabarit, les méthodes de pulvérisation électrostatique et les méthodes sol-gel sont couramment utilisées.

Opportunités et défis pour les matériaux super-hydrophobes : durabilité et transparence

Bien que les matériaux superhydrophobes aient de larges perspectives d'application dans la vie réelle, il existe encore de nombreuses difficultés pour réaliser l'application généralisée de la superhydrophobicité dans la pratique, et le plus grand défi est la durabilité et la transparence. Le revêtement hydrophobe a une faible adhérence au substrat et la structure rugueuse est également très fragile. Lorsque la surface est soumise à des effets mécaniques tels que des chocs et des frottements, elle s'abîme facilement et perd ses propriétés superhydrophobes. Par conséquent, le développement d'un revêtement super-hydrophobe avec un anti-friction stable ou d'une surface super-hydrophobe avec une fonction d'auto-réparation est devenu un problème urgent dans le domaine de la recherche des matériaux superhydrophobes. En général, pour obtenir un superhydrophobe, la surface aura une certaine rugosité, et plus la rugosité est grande, plus l'indice de réfraction est grand et plus la transparence est faible. Cela limite considérablement l'application de matériaux superhydrophobes aux dispositifs optiques.

De la nature à la bionique, les matériaux superhydrophobes ont commencé à partir de la feuille de lotus et ont été développés à ce jour. Les scientifiques n'ont jamais cessé d'explorer la nature. Je crois qu'à mesure que nous approfondissons notre exploration de la nature, notre compréhension de la nature continue de s'approfondir, et le domaine de la superhydrophobicité fera certainement de plus grands progrès.