Mouillabilité des surfaces superhydrophobes et superoléophobes

La mouillabilité peut être définie comme la propriété d’un matériau à être mouillé par un liquide. Le contrôle de la mouillabilité d’un matériau est un enjeu fondamental pour un grand nombre d’applications. En plus de la chimie, l’ajustement de la texture de surface est déterminant pour le contrôle de la mouillabilité. Cette texture permet par exemple de donner des formes à des gouttes, de diriger le mouillage, d’augmenter ou de diminuer la mouillabilité.

Les propriétés remarquables de superhydrophobie de la feuille de lotus, reliées à la microtexture de surface par Neinhuis et Barthlott à la fin des années 1990, ont rappelé les propriétés de non-mouillabilité extrêmes qui peuvent être atteintes en texturant une surface. Depuis, de nombreux efforts ont été fournis pour reproduire de telles surfaces superhydrophobes, jusqu’à élaborer des textures superoléophobes qui ne sont pas mouillées par des liquides même de faible tension superficielle, comme les huiles.

Les progrès réalisés dans le cadre de l’élaboration de surfaces non mouillantes ont été tels que la technique de la goutte posée, classiquement utilisée pour caractériser la mouillabilité d’une surface, n’est plus applicable à ces surfaces, les angles de mouillage atteints étant très élevés et l’ancrage du liquide extrêmement faible, voire nul. De plus, certaines des applications promises par ces nouveaux matériaux requièrent dans de nombreux cas de caractériser la stabilité de l’air piégé entre le matériau et le liquide, à l’origine des propriétés non mouillantes. Ainsi, il a été très vite nécessaire de proposer des alternatives à la technique de la goutte posée permettant de caractériser plus avant la mouillabilité de ces surfaces.

L’objectif de cet article est de présenter les techniques permettant de caractériser la mouillabilité de surfaces texturées qui présentent des propriétés superhydrophobes et superoléophobes, en plus de la technique classique de la goutte posée. Il propose d'abord un rappel sur la mouillabilité, il y est discuté en particulier l’angle de contact et l’hystérèse de mouillage qui sont les paramètres expérimentaux de base pour caractériser la mouillabilité, et utilisés pour qualifier les comportements non mouillants. Il s’attache ensuite à décrire les différents régimes de mouillage d’une surface texturée, dont un est à l’origine du comportent superhydrophobe et superoléophobe. Le but est de permettre au lecteur de différencier les différents comportements observables, éventuellement sur une même surface texturée. Ainsi, un rappel est également fait dans ce cadre, sur les transitions de mouillage, qui démontrent l’instabilité de l’état non mouillant (i.e. l’instabilité de l’air piégé à l’origine de ce comportement), et dont la considération dans une démarche expérimentale peut permettre, comme nous le verrons, de qualifier la stabilité de l’état non mouillant dans différentes conditions.

Par la suite, les surfaces superhydrophobes et superoléophobes sont définies en introduisant des concepts historiques et en présentant des exemples trouvés dans la nature, à la fois dans le monde végétal et animal. Une présentation est faite des différentes techniques proposées pour élaborer de telles surfaces, avec, associées, les images de microscopie électronique à balayage des textures produites, à l’origine de propriétés non mouillantes. Différents exemples d’applications de ces surfaces sont également proposés. Enfin, nous décrivons les différentes techniques utilisées à ce jour pour qualifier et quantifier la mouillabilité des surfaces superhydrophobes et superoléophobes.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés et un tableau de symboles.