Ce premier chapitre nous a permis d’introduire les principes qui régissent l’interaction des gouttes d’eau avec les surfaces. Nous avons détaillé en quoi la nature est une source d’inspi- ration pour les équipes de recherche qui travaillent sur ce sujet. De plus, les surfaces super- hydrophobes ne se contentent pas d’empêcher le mouillage mais, proposent aussi d’autres fonctionnalités comme l’autonettoyage, l’antigivrage, etc.
Nous avons détaillé les mesures physiques qui permettent de caractériser le mouillage d’une surface. Ainsi, l’angle de contact et son hystérésis sont deux caractérisations complémentaires pour les surfaces superhydrophobes. La première garantit une surface de contact minimum entre l’eau et la surface et la deuxième assure une mise en mouvement facile de la goutte tout en apportant la propriété d’autonettoyage. Présenter l’hystérésis a été l’occasion de détailler les travaux de Dettre et Johnson qui mettent en avant le rôle central de la structuration de surface vis-à-vis des propriétés de mouillage des matériaux. La rugosité, ou la structuration de surface en général, complexifie l’interaction entre l’eau et la surface : soit elle suit les aspérités de surface, soit elle repose dessus et crée une interface composite composée d’air et d’eau. Dans le premier cas, l’état de mouillage et celui de Wenzel et dans le second cas il s’agit de celui de Cassie-Baxter garantissant un angle de contact élevé et une faible hystérésis. Ces notions sont essentielles pour comprendre la suite de ce travail.
La structuration de surface est donc un paramètre capable de promouvoir la superhydropho- bie sur des matériaux hydrophobes. Toutefois, il se pose alors la question de la stabilité de l’interface composite ainsi créée. En effet, une source d’énergie suffisante, comme l’énergie cinétique, est susceptible de déstabiliser l’état de Cassie-Baxter et d’induire une transition vers l’état de Wenzel. La structuration de surface qui apparaissait comme une force peut aussi être une faiblesse. La structuration hiérarchique des surfaces est une solution pour créer et stabiliser un état de Cassie-Baxter superhydrophobe.
La fabrication de surfaces superhydrophobes fait l’objet de nombreuses études et méthodes d’élaboration. Nous avons détaillé et illustré certaines de ces méthodes dans ce chapitre. Pour cette thèse, nous avons choisi de mener ces travaux sur des matériaux flexibles et transparents afin de maximiser le potentiel applicatif des surfaces. Nous avons ainsi présenté les moyens technologiques compatibles avec lesquels nous travaillons : la nanoimpression thermique et les traitements plasma. Nous présenterons dans la suite de ce manuscrit, les protocoles expérimentaux, les résultats et les interprétations de ces travaux.
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Fabrication de surfaces superhydro-
phobes par structuration de surface
2.1 Introduction
Le contrôle de la mouillabilité des surfaces est un thème de recherche important pour tous ceux qui travaillent dans le domaine des matériaux, qu’ils soient physiciens, chimistes ou biologistes. Comme nous l’avons détaillé dans le Chapitre 1, les surfaces ne sont ni parfaites ni idéales. Or, pendant de nombreuses années, la recherche a tenté d’expliquer les phénomènes de mouillage de surfaces avec des modèles théoriques supposant des systèmes idéaux. Ces suppositions ont permis de construire des systèmes de référence fiables. La compréhension des phénomènes responsables de l’hystérésis de l’angle de contact (CAH) a engendré une prise de conscience de la non-idéalité des surfaces solides. Elle a été suivie par de nombreuses études sur le mouillage des surfaces poreuses et rugueuses. Au-delà de la compréhension de l’effet de la rugosité sur la mouillabilité, les modèles développés ont aussi permis la démarche inverse : créer et optimiser des surfaces dont la structuration est choisie afin de contrôler la mouillabilité.
Le contrôle de la mouillabilité d’une surface polymère passe par une modification de sa to- pographie de surface souvent suivie ou accompagnée par un changement de son énergie de surface grâce à une chimie adaptée. Cette dernière peut se faire par des modifications chimiques ou physiques comme nous l’avons détaillé dans le Chapitre 1. La nanoimpression thermique peut être utilisée seule pour structurer une surface. Toutefois, pour créer des sur- faces hiérarchiques, nous avons utilisé la rugosification plasma après l’étape de d’impression. Afin de bien comprendre les conséquences issues de la combinaison de ces deux technologies, nous avons d’abord étudié l’impression seule puis la rugosification plasma et enfin la combi- naison des deux. En fonction de la nature chimique du polymère structuré, nous avons utilisé la technologie plasma pour fluorer la surface simultanément à sa rugosification.
Nous avons travaillé sur différents films polymères flexibles et transparents (FEP, PMMA et PET) afin d’apporter la preuve de concept d’un procédé de fabrication suffisamment robuste pour être exporté sur une plus large gamme de matériaux. Les effets de la rugosification plasma et en particulier des gaz utilisés (C F4et/ou Ar) ont été étudiés d’un point de vue topographique par
MEB et AFM et d’un point de vue chimique par XPS. La mouillabilité des surfaces structurées est déterminée par mesures des WCA et CAH. Nous nous sommes intéressés à l’influence des durées de traitements plasma et à l’effet des puissances utilisées. Nous discuterons des intérêts de la hiérarchisation de la surface et comparerons cette structuration multi-échelle à des texturations plus simples.