Expérience 1 Surfaces super hydrophobes sur verre à l’aide d’une flamme

But

Évaluer la faisabilité et l’efficacité de l’application de la méthode de revêtement superhydrophobe à divers matériaux tels que l’aluminium, le bois et le papier, en garantissant la compatibilité et la fonctionnalité sur tous les substrats.

Évaluez la robustesse et la longévité du revêtement superhydrophobe contre les facteurs de stress mécaniques tels que le frottement avec du papier absorbant, en explorant les ajustements pour améliorer sa durabilité et sa résistance à l’abrasion.

Explorez les applications pratiques des matériaux superhydrophobes, en particulier l’utilisation d’un treillis en aluminium superhydrophobe pour observer et comprendre le comportement des gouttelettes d’huile et d’eau, y compris le phénomène unique de mélange de ces liquides sur la surface revêtue.

Arrière-plan

Rugosité

Parmi les nombreuses façons de créer une rugosité de surface à l’échelle micronanométrique, la photolithographie et la gravure à l’acide sont particulièrement importantes. De plus, l’ablation au laser et certaines méthodes additives sont de plus en plus répandues.

Photolithographie

« Litho » est un mot grec signifiant pierre, donc lithographie signifie écrire sur la pierre. La photolithographie est une technique similaire à la gravure d’un motif spécifique sur une surface. Dans cette méthode, un matériau sensible aux UV appelé photorésine est d’abord appliqué sur un substrat, généralement une plaquette de silicium. La lumière UV est ensuite exposée à l’échantillon à travers un masque sur lequel est imprimé le motif. En conséquence, les zones de photorésine exposées à la lumière UV sont cuites et facilement éliminées, laissant le micro-motif souhaité sur la surface. Bien que cette méthode soit quelque peu complexe, elle nous permet de créer un motif ordonné et précis de rugosité, comme le montre la Fig

Dépoli à l’acide

Cette méthode est basée sur le fait que la surface de la plupart des aciers n’est pas homogène et contient de nombreuses impuretés. Par exemple, une surface en alliage d’aluminium peut contenir des parties de zinc, de magnésium et de manganèse. Lorsque vous immergez l’aluminium dans de l’acide HCl, l’acide élimine ces impuretés, créant ainsi une surface rugueuse (Fig. 2). Bien qu’il ne soit pas possible de contrôler le modèle de rugosité avec cette méthode, elle reste populaire en raison de sa facilité d’utilisation.

Revêtement

Le revêtement par centrifugation et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sont des techniques populaires pour ajouter une très fine couche de revêtement à une surface.

Revêtement par centrifugation

Lorsqu’une gouttelette est placée sur une surface en rotation, la force centrifuge la pousse radialement vers l’extérieur (Fig. 3). Ce processus aboutit à une très fine couche de gouttelettes sur la surface, dont l’épaisseur est réglable en fonction de la viscosité et de la vitesse d’essorage. Le revêtement par centrifugation, une technique répandue dans la fabrication de circuits intégrés, de nanocanaux et de miroirs optiques, nous permet d’appliquer une couche de revêtement à l’échelle micronanométrique sur une surface.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) dépose une couche de matériau de la phase vapeur sur un substrat en décomposant les produits chimiques. Le plus grand avantage du CVD, qui l’a rendu très populaire, est sa capacité à revêtir presque tous les composés métalliques ou céramiques, y compris les éléments, les métaux et leurs alliages. Toutes ces méthodes introduites nécessitent des opérateurs qualifiés et nécessitent beaucoup de temps et d’argent. Dans la section suivante, nous explorerons une technique intéressante pour fabriquer une surface superhydrophobe qui répond aux deux exigences (rugosité et revêtement) en une seule étape.

Concept

Pour obtenir une surface superhydrophobe en une seule étape, nous utiliserons des nanoparticules intrinsèquement hydrophobes. Ces minuscules particules peuvent fixer et déposer des surfaces rugueuses hiérarchiquement (Fig. 4). Dans cette expérience, nous utiliserons des nanoparticules de carbone hydrophobes (CNP) à cet effet. Ces particules résultent de la combustion incomplète d’une bougie, de sorte qu’elles peuvent être abondamment trouvées dans la suie des bougies. De plus, leur taille est inférieure à 2 μm, ce qui les rend idéaux pour créer une rugosité hiérarchique à l’échelle micro-nanométrique.

Cependant, nous devons trouver un moyen de les fixer à la surface car la structure des CNP est très fragile et peut être facilement enlevée par une infime force externe en raison de leur faible adhérence physique. Pour résoudre ce problème, nous utiliserons de la cire de paraffine comme colle pour coller la suie à la surface en toute sécurité.

Expérience

Matériaux et installations : Bougie, diapositive en verre, briquet, goniomètre à angle de contact

Étape 1 : Appliquez de la cire de paraffine

Frottez la bougie sur la surface du verre pendant 2 minutes.

But: Appliquez une couche de cire de paraffine comme colle pour fixer les CNP au substrat.

Étape 2 : Assurez-vous que la couche de cire est uniforme

Frottez doucement une éponge ou du papier absorbant sur la surface pendant 2 minutes.

But: Assurez-vous que la couche de cire de paraffine est fine et uniforme.

Étape 3 : Déposer les CNP

Allumez la bougie et placez le côté du verre recouvert de cire de paraffine à environ 1 cm de la mèche de la bougie.

But: Déposez les CNP à la surface.

Étape 4 : Répartissez la cire de paraffine

Déplacez le verre d’avant en arrière horizontalement pendant 1 minute.

But: Répartissez uniformément la couche de cire de paraffine.

Étape 5 : Retirez les particules non liées

Plongez le verre dans l’eau et secouez-le doucement.

But: Retirez les particules non liées de la surface.

Étape 6 : Mesurer l’angle de contact

Versez une goutte d’eau de 7 μL sur l’échantillon et mesurez l’angle de contact statique à l’aide de la Instrument Droplet Lab.

But: Mesurer l’efficacité de la surface superhydrophobe.

Étape 7 : Répétez l’opération pour une surface non traitée

Faites pivoter le verre et répétez l’étape 6 pour la surface non traitée.

Étape 8 : Comparer les résultats

Comparez les résultats de l’étape 6 avec ceux de l’étape 7.

Découverte

Découverte 1

De notre expérience, nous avons découvert que le substrat n’a pas d’impact significatif sur le processus. Testez si la même méthode peut être appliquée à d’autres matériaux tels que l’aluminium, le bois ou le papier. Attention : Pour éviter que le bois et le papier ne brûlent, humidifiez-les avant de commencer le processus.

Découverte 2

Frottez un essuie-tout sur la surface superhydrophobe pendant 20 secondes et mesurez à nouveau l’angle de contact statique. Observez tout changement. Découvrez les ajustements apportés aux étapes 1 à 4 pour améliorer la résistance du revêtement contre les frottements.

Découverte 3

Répétez l’expérience pour créer un treillis en aluminium superhydrophobe. Placez des gouttelettes d’huile et d’eau sur la surface et observez leur comportement. Essayez de mélanger une gouttelette d’huile avec une gouttelette d’eau sur le grillage. Analyser les phénomènes observés.

Découverte 4

Créez une lame de rasage superhydrophobe et essayez de couper les gouttelettes d’eau. Déterminez la taille de la plus petite gouttelette d’eau qui peut être coupée. Partagez vos découvertes avec nous.

Découvrir et partager

Maintenant que vous pouvez créer divers matériaux superhydrophobes, concevez et menez des expériences intéressantes. Explorez le monde des matériaux superhydrophobes et partagez vos résultats avec nous. Rappelez-vous que « la découverte ne consiste pas à chercher de nouvelles terres, mais à voir avec les yeux.