Dans sa thèse « Matériaux multifonctions : antipluie, antibuée, antireflet », cofinancée par Thales Optronique SAS et en collaboration avec Thales Research & Technology, Timothée Mouterde, de l’Université Paris Saclay et de l’Ecole polytechnique, a étudié l’impact des texturations de surfaces sur les propriétés multi physiques, telles que la superhydrophobie1, les caractères antibuée et antireflet, tout en s’inspirant de la nature et notamment des propriétés des ailes de cigales ou des feuilles de lotus.

Sur une surface couverte de microrugosités hydrophobes, l’eau est ultra-mobile : les rugosités retiennent une couche d’air sous la goutte qui est donc sur coussin d’air. En situation humide, la buée dans les textures altère ces propriétés. Il a été observé que les ailes des cigales semblent être antibuée : des gouttes qui coalescent2, c’est-à-dire qui fusionnent, sont éjectées de cette surface. L’eau peut ainsi ruisseler dessus sans jamais les mouiller. En effet, les ailes de cigales sont pourvues de nanocônes, : de minuscules rugosités de forme conique qui ne mesurent que quelques dizaines de nanomètres.

Étudier les caractéristiques hydrophobes des nanostructures

Timothée a d’abord cherché à savoir si la diminution de la taille des textures peut être à l’origine d’une résistance à la condensation. Il a ainsi mené plusieurs expériences, notamment celle de déposer des gouttes d’eau chaudes sur des surfaces maintenues à température ambiante, et dont la taille des textures a été diminuées. Proche d’une goutte chaude, l’air est saturé d’eau et de la condensation peut se former au contact d’une surface plus froide. Dans cette expérience, l’observation de la capacité d’adhésion d’une goutte sur la surface a permis d’étudier le phénomène d’antibuée. Cette adhésion de l’eau a été mesurée en pesant les gouttes qui se détachent de la surface. Les mesures montrent que, plus les textures sont petites, plus la surface est résistante à la condensation. Ces expériences ont permis de comprendre et de quantifier l’effet antibuée qui apparait à l’échelle nanométrique.

Lors de cette expérience, Timothée a aussi modifié la forme des rugosités présentes sur la surface, habituellement de forme cylindrique, en formes coniques (cf ailes des cigales). Il a observé que les nanocônes permettent d’éjecter la totalité des gouttes de buée. En effet, lorsque deux gouttes de buée coalescent sur une surface composée de nanocônes, celles-ci fusionnent et sont éjectées. Sur une surface présentant des rugosités nanométriques, le taux de saut des gouttes d’eau passe ainsi de 0% pour des nanocylindres à presque 100% sur les nanocônes.

Les deuxièmes observations réalisées se sont portées sur la dynamique des propriétés antibuée d’une surface. En statique, plus une structure est compacte, plus elle résiste aux

liquides chauds. À l’inverse, en dynamique, les grandes rugosités sont meilleures car la buée n’a pas le temps d’accrocher la goutte en mouvement. Pour certaines géométries, la réduction d’échelle qui permet l’apparition des propriétés antibuée s’accompagne de propriétés antireflets exceptionnelles, ce qui permet d'engendrer des surfaces multifonctionnelles.

Une étude permettant de produire de nouveaux matériaux hydrophobes

Le résultat de ce travail d’observation des nanostructures a permis de développer des modèles permettant une compréhension fine des phénomènes rencontrés et donc de disposer d’outils permettant de concevoir des surfaces optiques aux propriétés hydrophobes, antireflet et antibuée.

Ces recherches pourraient à l’avenir être exploitées lors de la création de matériaux pour les outils optiques ou les véhicules militaires afin de les rendre insensibles aux intempéries par exemple.

Timothée est désormais post-doctorant à l’université de Tokyo en optique non linéaire appliquée à la nanofluidique3.

[1] La superhydrophobie est une propriété physique d’une surface extrêmement difficile à mouiller avec de l’eau.

[2] La coalescence désigne l’état des particules liquides en suspension réunies en gouttelettes plus grosses

[3] La nanofluidique est l'étude du comportement, de la manipulation et du contrôle des fluides confinés à des structures de dimensions caractéristiques nanométriques.