Une nouvelle étude révèle comment les forces intermoléculaires influencent la conception de matériaux intelligents

Une étude récente menée par des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences redéfinit la manière dont les liquides maintiennent leur contact avec les surfaces solides, également appelée mouillabilité, du point de vue de la force intermoléculaire.

Les conclusions ont été publiées dans Nano-recherche le 8 février.

La mouillabilité est pertinente pour la conception des matériaux car elle détermine la façon dont les couches se collent. Selon l’auteur de l’étude et professeur Ye Tian du Laboratoire clé des matériaux bio-inspirés et des sciences interfaciales, il « joue un rôle crucial dans de nombreux domaines, tels que l’efficacité de la réaction catalytique, la séparation, les matériaux d’électrode et la conception de matériaux bioniques intelligents ». . » Par exemple, des couches intelligentes qui changent de contact en fonction de l’humidité pourraient être utilisées dans des vêtements de sport qui s’adaptent à l’humidité.

Modèles de mouillabilité

Une mouillabilité élevée signifie qu’une goutte de liquide se propage, créant un faible angle de contact avec la surface, tandis qu’une faible mouillabilité décrit un liquide qui résiste à la propagation. Classiquement, la mouillabilité, indiquée par l’angle de contact, est caractérisée à l’aide de l’équation de Young, qui modélise une surface idéale et parfaitement lisse. Si la gouttelette d’eau s’étale à un angle de contact inférieur à 90 degrés, la surface est classée comme hydrophile ou aimant l’eau. Si la goutte d’eau fait un angle de contact supérieur à 90 degrés, la surface est classée comme hydrophobe.

Cependant, le modèle de Young a des limites pour expliquer le comportement observé des liquides en contact avec des surfaces solides. Par exemple, cela ne peut pas expliquer pourquoi les angles de contact avec l’eau augmentent après que les surfaces sont rendues rugueuses, ce qui a été décrit dans un modèle ultérieur de Wenzel et Cassie. Les auteurs de l’étude ont en outre étudié les interactions des surfaces solides immergées dans des liquides purs au niveau moléculaire pour mieux comprendre comment les seuils de mouillage intrinsèques (IWT) – les points auxquels les liquides se propagent ou perlent. Dit Tian « une série d’études ont montré qu’une attraction hydrophobe peut exister entre des surfaces apolaires et une répulsion hydrophile entre la ou les surfaces polaires dans l’eau, c’est-à-dire que les IWT devraient dépendre des forces intermoléculaires. »

Seuils de mouillage intrinsèque

Les chercheurs ont expérimenté des interactions de solides composés de couches d’une épaisseur de molécule (monocouches auto-assemblées ou SAM) dans différents liquides pour examiner comment la mouillabilité affectait leur attraction ou leur répulsion. Ils ont choisi l’eau, l’éthylène glycol (EG), le diméthylsulfoxyde (DMSA) et le N,N-diméthylformamide (DMF) comme liquides de test pour représenter une gamme de tensions superficielles. À l’aide d’un microscope à force atomique, ils ont mesuré les courbes de force pour les forces d’adhérence entre les SAM dans chaque liquide. Les angles de contact ont été évalués pour des gouttelettes de 1 μL de chaque liquide à l’aide d’un système d’angle de contact, un appareil qui mesure la forme des gouttes et l’angle de contact avec le solide.

Les résultats ont montré que pour l’eau, le seuil de mouillage intrinsèque (IWT) s’est produit à un angle de contact de 65° avec le solide, et non les 90° prédits par l’équation de Young. En d’autres termes, 65° était le point d’interface entre le comportement hydrophile et hydrophobe, qui a à voir avec les différences dans les réseaux de liaisons hydrogène de l’eau de part et d’autre du seuil. En outre, ils ont trouvé des différences dans les forces d’adhérence entre la couche d’eau et les surfaces dures (SAM) avec la transition à un angle de contact d’environ 65°. Explique Tian, ​​ »nous avons confirmé que l’IWT pour l’eau pure est d’environ 65° du point de vue des forces d’interaction entre les SAM symétriques. »

Les autres liquides organiques manquent de liaisons hydrogène, mais les IWT ont toujours été obtenus en examinant les changements dans les forces d’adhérence entre les surfaces dures (SAM) ainsi que les angles de contact. Les résultats ont fourni « une nouvelle courbe des IWT, distincte de la valeur définie par l’équation de Young, qui peut être utilisée pour préjuger des IWT pour les liquides purs avec des tensions superficielles connues ».

Prochaines étapes

Les chercheurs prévoient de continuer à étudier les mécanismes de mouillage au niveau moléculaire, compte tenu des applications importantes à la conception de matériaux fonctionnels. Après avoir redéfini les IWT par rapport à l’équation historique de Young, ils s’attendent à « offrir une nouvelle perspective pour comprendre les relations entre la mouillabilité et la force intermoléculaire », prédit Tian.

Fourni par Tsinghua University Press