Des chercheurs du MIT ont réussi à transformer des matériaux non-mouillants en matériaux mouillants en modifiant leur structure de surface. Leurs travaux, publiés dans PNAS le 25 janvier 2022, représentent une avancée dans le contrôle de la mouillabilité. Cette propriété d’un matériau à être mouillé par un liquide constitue un enjeu majeur pour la microfluidique, pour l’élaboration de matériaux innovants dans les domaines de la lutte contre la corrosion ou de l’anti-bioadhésion, ou encore pour la séparation de liquides par membrane poreuse
La mouillabilité est une propriété intrinsèque propre à un couple liquide/solide qui se mesure grâce à l’angle de contact entre une goutte de liquide et la surface sur laquelle elle est déposée. Plus cet angle est faible, plus la mouillabilité est grande. Cette propriété dépend d’une part de la tension de surface du liquide, et d’autre part de l’énergie de surface du matériau : plus l'énergie de surface d'un solide est grande et plus la tension superficielle d’un liquide est faible, plus la mouillabilité est grande.
Néanmoins, dans certains cas, il est possible d’augmenter la mouillabilité en apportant une rugosité à la surface du solide. Ainsi, pour un couple liquide/solide donné, si l’angle de contact entre la goutte et le matériau est inférieur à 90° lorsque la surface est plane, la mouillabilité augmente si la surface du matériau est structurée avec de simples canaux. Mais cela ne fonctionne pas avec des liquides hautement non-mouillants dont la tension superficielle est très élevée. Dans ce cas, la mouillabilité diminue : la goutte de liquide se dépose à la surface des canaux, un état appelé « état de Cassie ».
Canaux recouverts de polymère
Les chercheurs du MIT ont montré qu’il est possible d’utiliser la structuration de surface pour augmenter la mouillabilité, même pour des liquides à très forte tension superficielle. Ils sont partis de matériaux à base de silicium à la surface desquels ils ont sculpté par irradiation des canaux à angle rentrant qu’ils ont ensuite recouvert d’un polymère à très faible énergie de surface. Sur le matériau ainsi structuré, des liquides à forte tension superficielle comme l’eau ou le mercure se mettent dans un état de Cassie. En revanche, lorsque les canaux à angle rentrant sont préalablement remplis de liquide, l’eau et le mercure deviennent très mouillants.
En modélisant les énergies de surface, les scientifiques ont montré que lorsqu’elles sont préremplies, les structures à angle rentrant créent une barrière d’énergie locale qui empêche le liquide de s’échapper quelle que soit sa mouillabilité intrinsèque. « C'est une dualité intrigante : la surface peut être hautement non mouillante ou hautement mouillante simplement en fonction du fait que nous « préremplissions » ou non les structures », commente Kyle Wilke, premier auteur de l’étude.
