La manipulation et l’utilisation de gaz dans l’eau ont de vastes applications dans l’utilisation de l’énergie, la fabrication de produits chimiques, la protection de l’environnement, l’élevage agricole, les puces microfluidiques et les soins de santé. La possibilité d’amener des bulles sous-marines à se déplacer de manière directionnelle et continue sur une distance donnée via des géométries de gradient uniques a été archivée avec succès, ouvrant la voie à davantage de recherches sur ce sujet passionnant. Dans de nombreux cas, cependant, la géométrie du gradient est microscopique et inadaptée au transport de gaz au niveau du microscope car la plupart des structures de gradient à micro-échelle fournissent une force motrice insuffisante. Cela fait de l’auto-transport sous-marin de bulles et de gaz au niveau microscopique un défi de taille.
Dans un nouvel article publié dans le Journal international de la fabrication extrême, une équipe de chercheurs, dirigée par le professeur Feng Chen de l’École des sciences et de l’ingénierie électroniques de l’Université Xi’an Jiaotong, en Chine, a proposé une stratégie innovante d’auto-transport sous-marin de gaz le long d’une surface superhydrophobe ouverte induite par laser femtoseconde avec une largeur de microcanal inférieure à 100 µm. La microrainure avec des micro/nanostructures superhydrophobes et superaérophiles sous-marines sur sa paroi interne ne peut pas être mouillée par l’eau, de sorte qu’un microcanal creux se forme entre le substrat et l’eau lorsque la surface structurée en rainure est immergée dans l’eau. Le gaz peut circuler librement le long du microcanal sous-marin ; c’est-à-dire que ce microcanal permet le transport de gaz dans l’eau. Les micro-rainures superhydrophobes permettent d’auto-transporter les bulles et les gaz au niveau microscopique.
La technologie laser femtoseconde (10−15 s) est apparue comme une solution prometteuse pour préparer un tel microsillon superhydrophobe. S’appuyant sur ses deux caractéristiques clés : une intensité de crête extrêmement élevée et une largeur d’impulsion ultracourte, les lasers femtosecondes sont devenus un outil essentiel pour la fabrication moderne d’extrême et d’ultra-précision. Le traitement laser femtoseconde présente les caractéristiques d’une résolution spatiale élevée, d’une petite zone affectée par la chaleur et d’une fabrication sans contact. En particulier, le laser femtoseconde peut ablater presque n’importe quel matériau, ce qui entraîne des microstructures à la surface du matériau. Ainsi, le laser femtoseconde est un outil viable pour créer des microstructures superhydrophobes sur des surfaces matérielles, ce qui est essentiel pour réaliser l’auto-transport de gaz au niveau microscopique.
Des micro/nanostructures hiérarchiques ont été facilement produites sur le substrat de polytétrafluoroéthylène (PTFE) intrinsèquement hydrophobe par traitement au laser femtoseconde, dotant la surface de PTFE d’une excellente superhydrophobicité et d’une superaérophilie sous-marine. Les microrainures superhydrophobes et superaérophiles sous-marines induites par laser femtoseconde repoussent considérablement l’eau et peuvent supporter le transport de gaz sous l’eau car un microcanal creux s’est formé entre la surface du PTFE et le milieu aqueux dans l’eau. Le gaz sous-marin était facilement transporté à travers ce microcanal creux.
Fait intéressant, lorsque des microrainures superhydrophobes relient différentes régions superhydrophobes dans l’eau, le gaz se transfère spontanément d’une petite région à une grande région. Un procédé unique de perçage au laser peut également intégrer les microtrous dans la feuille de PTFE superhydrophobe et sous-marine superaérophile.
La morphologie asymétrique des microtrous en forme de ‘Y’ induits par laser femtoseconde et la supermouillabilité de surface unique de la feuille de PTFE ont permis aux bulles de gaz de passer de manière unidirectionnelle à travers la feuille de PTFE poreuse supermouillante (du côté des petits trous au côté des gros trous ) dans l’eau.
Une pénétration unidirectionnelle anti-flottabilité a été obtenue ; c’est-à-dire que le gaz a surmonté la flottabilité de la bulle et s’est auto-transporté vers le bas. Semblable à une diode, la fonction du passage de gaz unidirectionnel de la feuille poreuse supermouillante a été utilisée pour déterminer la direction de transport du gaz lors de la manipulation du gaz sous-marin, empêchant le reflux de gaz.
La différence de pression de Laplace a conduit les processus de transport spontané de gaz et de passage unidirectionnel des bulles. Les feuilles poreuses superhydrophobes et sous-marines superaérophiles ont également été utilisées avec succès pour séparer l’eau et le gaz sur la base du comportement d’auto-transport du gaz.
Le professeur Feng Chen (directeur du laboratoire de photonique ultrarapide, UPL) et le professeur associé Jiale Yong ont identifié l’importance de la recherche et les applications potentielles de cette technologie (auto-transport sous-marin de gaz) comme suit :
« Comment penser à utiliser des micro-rainures superhydrophobes pour le transport de gaz ? »
« Les microstructures superhydrophobes ont une grande imperméabilité à l’eau, permettant aux matériaux de repousser les liquides. Si une microrainure a des micro/nanostructures superhydrophobes sur sa paroi interne, la microrainure ne sera pas mouillée par l’eau car la surface structurée en rainures est immergée dans l’eau. Par conséquent, un un microcanal creux se forme entre le substrat et le milieu aqueux. Ce microcanal permet le transport de gaz dans l’eau afin que le gaz puisse s’écouler librement le long du microcanal sous-marin. Le laser femtoseconde peut facilement fabriquer un tel microsillon superhydrophobe. La largeur du microsillon induit par laser détermine la largeur du microcanal creux, qui est inférieur à 100 μm, nous permettant de réaliser l’auto-transport de gaz au niveau microscopique. »
« Pourquoi le laser femtoseconde a-t-il été utilisé pour préparer une telle micro-rainure superhydrophobe pour l’auto-transport de gaz ? »
« Le laser est l’une des plus grandes inventions du XXe siècle. Ces dernières années, le laser femtoseconde est devenu un outil essentiel pour la fabrication moderne d’extrême et d’ultra-précision. Le traitement laser femtoseconde est une technologie flexible qui peut directement écrire superhydrophobe et superaérophile sous-marin microrainures sur la surface d’un substrat solide et percer des microtrous ouverts à travers un film mince. En outre, la piste des microrainures ouvertes et l’emplacement des microtrous ouverts peuvent être conçus avec précision par le programme de contrôle pendant le traitement au laser.
« Les types de gaz affectent-ils l’auto-transport des bulles et des gaz au niveau microscopique ? »
« Bien que seule la bulle d’air ordinaire ait été étudiée, il convient de noter que la force motrice du transport du gaz n’implique pas la composition chimique du gaz. Par conséquent, la manipulation du gaz rapportée dans cet article est applicable à d’autres gaz tant que ils ne se dissolvent pas complètement dans les liquides correspondants. »
« Quelles sont les applications potentielles de la technologie réalisant l’auto-transport et la manipulation de bulles/gaz basées sur les microrainures superhydrophobes écrites au laser femtoseconde ? »
« Nous pensons que les méthodes rapportées d’auto-transport de gaz dans l’eau le long de microcanaux superhydrophobes à structure laser femtoseconde ouvriront de nombreuses nouvelles applications dans l’utilisation de l’énergie, la fabrication de produits chimiques, la protection de l’environnement, l’élevage agricole, les puces microfluidiques, les soins de santé, etc. »
Les chercheurs soulignent également que cette stratégie d’auto-transport de gaz basée sur les microsillons superhydrophobes, bien que validée, en est encore à ses balbutiements. L’influence de divers facteurs (tels que la taille des micro-rainures, la longueur du canal et le volume de gaz) sur les performances du transport de gaz nécessite des recherches supplémentaires. Les applications pratiques basées sur la fonction d’auto-transport du gaz doivent également être développées.
Jiale Yong et al, Auto-transport de gaz sous-marin le long de microcanaux de surface superhydrophobes ouverts écrits au laser femtoseconde (International Journal of Extreme Manufacturing (2021). DOI : 10.1088/2631-7990/ac466f
Fourni par International Journal of Extreme Manufacturing