Auto-nettoyage : un nouveau matériau défie les lois de l’adhésion de l’eau

Des scientifiques de l’Institut de technologie de Karlsruhe (KIT) et de l’Institut indien de technologie de Guwahati (IITG) ont mis au point un matériau de surface qui repousse presque complètement les gouttes d’eau. À l’aide d’un processus entièrement novateur, ils ont modifié des cadres métallo-organiques (MOF) – des matériaux conçus artificiellement et dotés de nouvelles propriétés – en y greffant des chaînes d’hydrocarbures. Les propriétés superhydrophobes (extrêmement hydrophobes) qui en résultent sont intéressantes pour les surfaces autonettoyantes qui doivent être résistantes aux influences environnementales, par exemple sur les automobiles ou dans l’architecture.

Les MOF (metal-organic frameworks) sont composés de métaux et de liaisons organiques qui forment un réseau de pores vides ressemblant à une éponge. Leurs propriétés volumétriques – déplier deux grammes de ce matériau permet d’obtenir la surface d’un terrain de football – en font un matériau intéressant pour des applications telles que le stockage de gaz, la séparation du dioxyde de carbone ou de nouvelles technologies médicales.

Mais les surfaces extérieures exposées par ces matériaux cristallins offrent également des caractéristiques uniques, dont l’équipe de recherche a tiré parti en greffant des chaînes d’hydrocarbures sur de minces films de MOF. Ils ont observé un angle de contact avec l’eau de plus de 160 degrés – plus l’angle formé par la surface d’une goutte d’eau avec le substrat est grand, meilleures sont les propriétés hydrophobes du matériau.

« Notre méthode nous permet d’obtenir des surfaces superhydrophobes dont les angles de contact sont nettement supérieurs à ceux d’autres surfaces et revêtements lisses », indique le professeur Christof Wöll de l’Institut des interfaces fonctionnelles du KIT. « Bien que les propriétés mouillantes des particules de MOF en poudre aient été étudiées auparavant, l’utilisation de films minces monolithiques de MOF à cette fin est un concept révolutionnaire. »

Matériaux « superhydrophobes » de la prochaine génération

L’équipe attribue ces résultats à la disposition en brosse (brosses de polymère) des chaînes d’hydrocarbures sur les MOF. Après avoir été greffées sur les matériaux MOF, elles ont tendance à former des « bobines » – un état de désordre que les scientifiques appellent « état de haute entropie », qui est essentiel pour ses propriétés hydrophobes. Les scientifiques ont affirmé que cet état des chaînes d’hydrocarbures greffées ne pouvait pas être observé sur d’autres matériaux.

Il est remarquable que l’angle de contact avec l’eau n’ait pas augmenté même lorsqu’ils ont utilisé des chaînes d’hydrocarbures perfluorées pour le greffage, c’est-à-dire en remplaçant les atomes d’hydrogène par du fluor. Dans des matériaux tels que le téflon, la perfluoration confère des propriétés superhydrophobes. Dans le matériau nouvellement mis au point, cependant, elle réduit considérablement l’angle de contact avec l’eau, comme l’a constaté l’équipe. Des analyses plus poussées dans le cadre de simulations informatiques ont confirmé que les molécules perfluorées – contrairement aux chaînes d’hydrocarbures – ne pouvaient pas prendre l’état énergétiquement favorable de haute entropie.

En outre, les scientifiques ont fait varier la rugosité de la surface de leurs systèmes SAM@SURMOF de l’ordre du nanomètre, réduisant ainsi davantage la force d’adhésion de l’eau. Même avec des angles d’inclinaison extrêmement faibles, les gouttes d’eau ont commencé à rouler et leurs propriétés hydrophobes et autonettoyantes ont été considérablement améliorées.

« Notre travail comprend également une analyse théorique détaillée, qui relie le comportement inattendu montré dans les expériences à l’état de haute entropie des molécules greffées aux films MOF », explique le professeur Uttam Manna du département de chimie de l’IITG. « Cette étude modifiera la conception et la production de matériaux de nouvelle génération dotés de propriétés hydrophobes optimales. »

Légende illustration: À gauche : substrat poreux avec un faible angle de contact avec l’eau : La surface absorbe beaucoup de liquide. À droite : Le nouveau matériau présente un angle de contact avec l’eau élevé et est donc presque totalement hydrophobe. Figure : KIT

Publication originale : Evgenia Bogdanova, Modan Liu, Patrick Hodapp, Angana Borbora, Wolfgang Wenzel, Stefan Bräse, André Jung, Zheqin Dong, Pavel Levkin, Uttam Manna, Tawheed Hashem, and Christof Wöll: Functionalization of Monolithic MOF Thin Films with Hydrocarbon Chains to Achieve Superhydrophobic Surfaces with Tunable Water Adhesion Strength, Royal Society of Chemistry, Materials Horizons 2024, DOI: 10.1039/D4MH00899E