Dans le domaine de la recherche en ingénierie, une question se pose avec acuité : comment améliorer les propriétés de transport des liquides sur des surfaces métalliques pour optimiser les technologies de refroidissement, de nettoyage automatique et de lutte contre le givrage ? Une réponse innovante vient d’émerger grâce à la collaboration internationale entre des chercheurs américains et britanniques.
Une équipe internationale d’ingénieurs a élaboré une méthode modulable pour la création de surfaces en aluminium avec des motifs topographiques. Cette technique améliore les propriétés de transport des liquides, essentielle pour des applications comme le refroidissement électronique, les technologies de nettoyage automatique et les systèmes anti-givre. La recherche a été menée par des groupes de Rice University et de l’Université d’Édimbourg dans le cadre du programme du Prix de la collaboration stratégique Rice-Edinburgh.
Les chercheurs ont mis au point une technique inédite utilisant des masques en vinyle découpés au cutter et une résine de laque disponible dans le commerce, combinée à des traitements de surface physiques et chimiques à grande échelle. Ces surfaces montrent des contrastes de mouillabilité distincts, améliorant significativement l’élimination des gouttelettes pendant la condensation. Les motifs, avec des dimensions de caractéristiques aussi petites que 1,5 mm, offrent une gamme de comportements de mouillabilité, allant du superhydrophobe à l’hydrophile, selon le traitement appliqué.
L’implication des surfaces texturées
Daniel J. Preston, professeur adjoint d’ingénierie mécanique à Rice, a précisé : «Cette méthode représente une étape importante dans l’ingénierie des surfaces sur mesure.» Il a co-écrit l’article avec Geoff Wehmeyer, également professeur adjoint d’ingénierie mécanique à Rice, et Daniel Orejon de l’Université d’Édimbourg. « En permettant un contrôle précis sur la mouillabilité et les propriétés thermiques des surfaces, nous ouvrons de nouvelles possibilités pour la fabrication à grande échelle de surfaces de transfert de chaleur avancées.«
La méthodologie a impliqué plusieurs étapes pour développer et analyser les surfaces en aluminium structurées. Des masques en vinyle ont été appliqués sur des substrats en aluminium poli, suivis d’un processus de gravure en deux étapes qui a créé des zones micro et nanotexturées. Les chercheurs ont ensuite utilisé des techniques d’imagerie avancées pour caractériser la résolution des motifs et leurs propriétés de mouillabilité.
Pour évaluer les performances, des expériences de visualisation de la condensation ont montré que les gouttelettes s’écoulaient plus facilement sur les surfaces structurées comparativement aux surfaces homogènes. De plus, la cartographie de l’émissivité thermique à l’aide de la thermographie infrarouge a révélé d’importants contrastes d’émissivité entre les zones lisses et texturées, soulignant le potentiel de ces surfaces pour la gestion thermique avancée.
Geoff Wehmeyer a commenté : «L’aluminium est largement utilisé dans les dispositifs de gestion thermique comme les échangeurs de chaleur en raison de sa conductivité élevée, de sa faible densité et de son coût modéré.»
Il a souligné que leur méthode ajoute une nouvelle dimension à la fonctionnalité de l’aluminium en intégrant des motifs de surface à la fois économiques et extensibles, permettant aux ingénieurs de régler finement le transfert de chaleur par condensation.
Un impact Industriel et technologique
Les résultats de cette recherche ont des implications importantes pour les industries qui dépendent du transfert de chaleur par changement de phase, avec des applications dans les technologies quotidiennes. En refroidissement électronique, l’élimination améliorée des gouttelettes réduit les résistances thermiques liées aux grosses gouttes pendant la condensation, ce qui pourrait permettre de nouvelles stratégies de refroidissement pour les serveurs de centres de données ou autres appareils électroniques nécessitant une dissipation efficace de la chaleur.
Les motifs de mouillabilité et d’émissivité thermique adaptés optimisent la dissipation de chaleur dans des environnements à haute température, bénéficiant à des systèmes comme les moteurs automobiles et les composants aérospatiaux. De plus, les zones superhydrophobes accélèrent l’évacuation de l’eau, empêchant la formation de glace sur des surfaces critiques comme les ailes d’avion, les éoliennes et les lignes électriques par temps de gel. Ces avancées offrent des solutions pratiques pour améliorer les performances et la fiabilité des technologies que les gens utilisent et sur lesquelles ils comptent quotidiennement.
Daniel Preston a ajouté : «Les méthodes traditionnelles comme la photolithographie sont souvent coûteuses et limitées à de petites zones.» Il a souligné que leur technique utilise des matériaux abordables et accessibles pour créer des motifs complexes sur des surfaces plus grandes, la rendant adaptée aux applications industrielles et prometteuse pour le design des condenseurs et des échangeurs de chaleur de prochaine génération.
Légende illustration : Des échantillons de coupons d’aluminium présentant des bandes alternées de topographies lisses (plus claires) et gravées (plus foncées) présentent une mouillabilité contrastée.
Source : RICE
