Des scientifiques de l’Université d’Akron et de l’Université de Pittsburgh ont renversé des hypothèses de longue date dans une nouvelle recherche qui révèle que l’eau peut favoriser l’adhésion.
Le Dr Ali Dhinojwala, titulaire de la chaire W. Gerald Austen et professeur HA Morton à l’École des sciences et de l’ingénierie des polymères de l’Université d’Akron, a dirigé une équipe dont la percée significative – selon laquelle l’eau peut améliorer de manière inattendue l’adhérence dans des conditions contrôlées – a été publiée le 7 août dans Progrès scientifiques.
Les implications de cette recherche sont profondes, notamment dans les applications biomédicales telles que les bandages, les capteurs de surveillance de la santé pour la peau humide et les adhésifs avancés qui pourraient remplacer les sutures. Les connaissances acquises en exploitant la rugosité de surface et les propriétés des matériaux pourraient révolutionner des industries valant des milliards de dollars à l’échelle mondiale.
Conduire sur des routes mouillées ou appliquer des bandes adhésives sur une peau humide sont des défis quotidiens exacerbés par la difficulté d’obtenir une forte adhérence sur des surfaces mouillées et rugueuses. Traditionnellement, la présence d’eau a été considérée comme un obstacle, perturbant les liaisons moléculaires nécessaires à une adhérence efficace. L’eau a tendance à adhérer aux surfaces et à rester piégée dans la rugosité de la surface, ce qui complique encore davantage le processus d’adhésion.
Dans une avancée significative, l’équipe du Dr Dhinojwala, composée du Dr Tevis Jacobs de l’Université de Pittsburgh, du Dr Lars Pastewka de l’Université de Fribourg et du Dr Anirudha Sumant du Laboratoire national d’Argonne, a fait sa découverte dans une étude qui consistait à mesurer l’adhérence d’un élastomère souple sur des surfaces rugueuses conçues avec précision, révélant une interaction complexe entre l’eau, la rugosité de la surface et la dynamique d’adhésion.
Le Dr Dhinojwala et l’étudiant diplômé Nityanshu Kumar ont réalisé des expériences sous-marines révolutionnaires et développé des modèles pour expliquer les résultats. Les surfaces rugueuses ont été préparées chimiquement au laboratoire national d’Argonne et caractérisées jusqu’à l’échelle atomique à l’université de Pittsburgh. Les simulations de l’interface de séparation ont été réalisées à l’université de Fribourg. L’étude n’a été possible que grâce à l’expertise complémentaire de cette équipe collaborative.
Contrairement aux attentes, la présence d’eau lors de la formation du contact perturbe initialement l’adhérence en empêchant le contact moléculaire sur près de la moitié de la surface en raison des molécules d’eau piégées. De plus, l’énergie nécessaire pour déformer l’élastomère et s’adapter à la rugosité de la surface est considérablement augmentée en présence d’eau, ce qui réduit encore davantage l’adhérence initiale.
Étonnamment, la présence d’eau, qui perturbe l’adhésion lors de la formation du contact, a augmenté l’adhésion de près de quatre fois lors du détachement. Grâce à des modèles analytiques et à une spectroscopie sensible à la surface, ces résultats ont montré que l’eau est emprisonnée dans des poches de taille nanométrique. « Il est difficile d’établir un contact sous l’eau car il faut une énergie supplémentaire pour faire sortir l’eau et on ne peut pas l’éliminer entièrement », a déclaré le Dr Jacobs. « Mais nous avons été très surpris de voir que la même eau emprisonnée qui rend difficile le rapprochement de deux surfaces rend également beaucoup plus difficile le fait de séparer ces mêmes surfaces. »
« Ces résultats remettent en cause l’idée traditionnelle selon laquelle l’eau empêche systématiquement l’adhérence », a déclaré le Dr Dhinojwala. « En comprenant comment l’eau interagit avec la topographie de la surface, nous pouvons potentiellement exploiter la rugosité pour améliorer l’adhérence, un peu comme les geckos utilisent leurs coussinets pour grimper sur des surfaces humides. »
L’équipe du Dr Dhinojwala a ensuite l’intention de se concentrer sur l’affinement de ces résultats afin de développer des applications pratiques qui capitalisent sur les avantages surprenants de l’eau dans la science de l’adhésion.
Plus d’information:
Nityanshu Kumar et al., La rugosité à petite échelle emprisonne l’eau et contrôle l’adhérence sous-marine, Progrès scientifiques (2024). DOI: 10.1126/sciadv.adn8343