Faire une surface super-hydrophobe

Faire une surface super-hydrophobe
Par , le (édité le 12/06/2016)

Ce qu'il te faut

  • Un couvercle métallique de pot de confiture
  • Une bougie
  • Un briquet
  • Une pince
  • Une pipette en plastique
  • Un verre d'eau
  • Un chiffon ou du papier essuie-tout
Adulte Réalise cette expérience en présence d'un adulte.

Introduction

Réalise ici très simplement une surface super-hydrophobe. Une telle surface a une micro- ou nanostructure telle que l'eau ne peut pas la mouiller: si des gouttes d'eau sont jetées dessus, elles rebondissent et glissent sur la surface.

Gouttes sphériques sur une surface super-hydrophobe
Goutte d'eau sur une surface hydrophobe.

Préparation de la surface super-hydrophobe

Bougie et couvercle
Une bougie et un couvercle suffisent à fabriquer une surface hydrophobe.

La suie d'une bougie est une poudre très hydrophobe. La procédure ci-dessous permet de réaliser un dépôt de suie sur une surface plane:

  • Allume la bougie.

  • Tiens le couvercle métallique avec la pince.

  • Approche le couvercle de la flamme. Lorsque la flamme touche le couvercle, elle le noirci. La suie vient de la combustion incomplète de la cire et de la mèche, qui est favorisée par la présence du couvercle près de la flamme.

  • Bouge le couvercle au-dessus de la flamme pour le recouvrir entièrement de suie sur une des faces.

  • Laisse refroidir le couvercle pendant quelques minutes. Evite de toucher la surface de suie, car cela l'abimerait!

Couvercle au-dessus de la flamme de la bougie
Couvercle au-dessus de la flamme de la bougie
Couvercle à moitié et entièrement noirci
La flamme noirci le couvercle (gauche) et il est possible de recouvrir tout le couvercle de suie (droite).

Gouttes d'eau sur la suie

Pour tester l'hydrophobicité de la surface, dépose avec la pipette quelques gouttes d'eau sur le couvercle. Si celles-ci restent bien sphériques et glissent sans laisser de trace mouillée sur le couvercle, c'est que la surface est super-hydrophobe!

Gouttes sur une surface hydrophobe et non hydrophobe
Gouttes d'eau sur une surface non hydrophobe (gauche) et super-hydrophobe (droite). Sur la surface non hydrophobe, les gouttes "accrochent" la surface et s'étalent, donnant une forme aplatie aux gouttes. Sur la surface super-hydrophobe, les gouttes sont quasi sphériques et ne mouillent pas la surface.

Après avoir vérifié que la surface est bien hydrophobe, essaie d'observer les quelques phénomènes décrits ci-dessous. Les gouttes peuvent abimer le dépôt de suie, et il se peut que tu aies besoin de le renouveler. Pour cela, essuie avec le chiffon la suie, et utilise la bougie pour recouvrir à nouveau de suie le couvercle.


Faible friction et coalescence de gouttes

En faisant tomber plusieurs gouttes sur la surface, celles-ci se déplacent sur de longues distances car les gouttes sont très peu en contact avec la suie, et la force de friction entre la surface et les gouttes, qui tend à ralentir leur mouvement, est faible. Lorsqu'il y a beaucoup de gouttes, il arrive que deux d'entre-elles entrent en collision et fusionnent (coalescent). Ces deux phénomènes sont montrées sur cette vidéo (ralentie 2 fois): Icône de téléchargement MP4 (HD) (16.1 Mo) ou Icône de téléchargement MP4 (medium) (3.5 Mo).


Rebond d'une goutte

Laisse tomber avec la pipette une goutte de quelques centimètres de haut. Si la hauteur est bonne, la goutte rebondit sur la surface puis s'arrête. Parfois, tu pourras voir au premier rebond qu'une gouttelette secondaire se détache de la goutte et rebondit très haut avant de retomber sur la goutte principale et de fusionner enfin avec celle-ci:

Rebond d'une goutte sur une surface hydrophobe
Rebond d'une goutte sur une surface super-hydrophone. Le rebond cause la formation d'une goutte secondaire qui remonte très haut. Icône de téléchargement Vidéo (ralentie 8 fois) (3.2 Mo).

Tourbillons de suie sur la surface d'une goutte

Les gouttes ont tendance à entrainer un peu de suie avec elles. La suie reste alors à la surface de la goutte. (La suie ne va pas à l'intérieur de la goutte car elle est hydrophobe.)

Particules de suie sur la surface d'une goutte
Particules de suie sur la surface d'une goutte

Lorqu'une telle goutte s'immobilise sur le couvercle, tu pourras voir que la suie continue de tourbillonner sur la goutte pendant quelques instants. Comme la goutte repose toujours sur une surface super-hydrophobe, la friction est faible, et les courants d'eau à l'intérieur de la goutte, qui ont été principalement créés par les rebonds initiaux mettent du temps à se dissiper, et la suie permet de les visualiser. Vidéo correspondante: Icône de téléchargement MP4 (ralentie 2 fois) (1.3 Mo).


Détérioration de la surface hydrophobe

En lâchant les gouttes de très haut, elles laissent apparaitre des traces d'impact sur le couvercle. Lorsqu'une goutte passe sur un de ces impacts où beaucoup de suie a été balayée, elle s'accroche parfois sur ce point d'ancrage, car la surface n'est plus hydrophobe à cet endroit:

Impacts de gouttes sur la surface hydrophobe
Impacts et ancrage de gouttes sur la surface hydrophobe. Voir la vidéo (ralentie 2 fois): Icône de téléchargement MP4 (HD) (12.5 Mo) ou Icône de téléchargement MP4 (medium) (2.8 Mo).

Conclusion

La suie permet de faire une surface extrêmement hydrophobe. Mais la surface est très fragile car la suie n'adhère pas bien sur celle-ci. Des revêtements super-hydrophobes un peu plus résistants existent cependant. Ceux-ci sont obtenus soit en déposant une couche spéciale sur une surface (peinture, ou avec un spray par exemple), soit en fabriquant directement la pièce hydrophobe avec une surface ayant une forme particulière à l'échelle nanoscopique ou microscopique. Mais ces surfaces ont quand même tendance à se détériorer à l'utilisation, et obtenir des surfaces super-hydrophobes suffisamment résistantes et durables pour des applications extrêmes reste un défi non relevé.