Méthodes descendantes «par arrachement»

La création de substrats superhydrophobes à partir d'une méthode descendante consiste à enlever de la matière physiquement ou chimiquement à un matériau en surface de façon à y créer une texture de l’ordre du micromètre. Les principales méthodes descendantes par arrachement de matière sont la gravure, la lithographie et l'anodisation.

Gravure

La gravure consiste à enlever des couches de matériel de l’ordre de quelques nanomètres à quelques microns dans le but de créer des micros et des nanorugosités. Plusieurs procédés de gravure ont été développés récemment, ces derniers étant effectués soit à l'aide d'un laser, d'un plasma ou encore d'un réactif chimique [23-25]. Pour la gravure chimique de métaux, comme l’aluminium, l'opération s’effectue par immersion des échantillons dans des solutions basiques ou acides, lesquelles attaquent chimiquement en dissolvant la première couche d’oxydes présente en surface pour réagir ensuite avec le métal.

Saleema et al. [25] a rendu l’aluminium superhydrophobe en le plongeant dans un bain contenant une solution basique 0.1 M d’hydroxyde de sodium NaOH, dans laquelle 400 mM de perfluoroalkylsilane (FAS17), est dissous dans l’éthanol. La réaction chimique du NaOH avec l’aluminium en présence de FAS17 a permis la création dans la microstructure de nanopores maximisant la quantité d’air emprisonnée. L'angle de contact du substrat d'aluminium le plus hydrophobe ainsi produit a été de 157 ± 2°. L’analyse chimique a permis de montrer que la microstructure de l'aluminium était recouverte de groupements CF3,

lesquels diminuent l’énergie de surface. En faisant varier le temps de la gravure, on a pu obtenir un angle de contact optimal de 166° après 15 minutes. L’augmentation du temps de gravure n'a toutefois pas permis d’obtenir un angle de contact plus élevé.

Huang et al. [23] ont aussi utilisé une solution de NaOH, 1M, pour graver chimiquement l’aluminium, pour y créer des microrugosités. Après la gravure, le substrat attaqué a été recouvert d'une couche d'acide stéarique 0.01M (SA) de façon à en rendre la surface superhydrophobe, avec un angle de contact de 156°. Les chercheurs ont pensé à augmenter les quantités d'éléments nanostructurés en augmentant le temps d’immersion dans la solution de NaOH et/ou dans celle solution d’éthanol et de SA. Malheureusement la microstructure obtenue à des temps de gravure et des temps d'immersion plus longs en présence de SA n’ont eu aucun effet sur l’angle de contact.

Finalement, Sarkar et al. [26] ont rendu l'aluminium superhydrophobe par immersion dans un bain d'acide chlorhydrique HCl à 14 % m. La surface gravée est ensuite recouverte d’un film ultramince de téflon de l’ordre de quelques nanomètres appliqués à l'aide d'une torche à plasma. Après un temps de 5 minutes de gravure en y ajoutant ce film de téflon, on a obtenu un angle de contact de 164°.

L’utilisation de la gravure chimique démontre la capacité du procédé pour modifier rapidement l’aluminium de façon à les rendre superhydrophobes. Toutefois, elle a l'inconvénient de produire des microrugosités et des nanorugosités superficielles dont les dimensions varient de façon aléatoire d’un échantillon à l’autre.

Anodisation

L’anodisation est un procédé électrochimique où le métal est utilisé comme anode sous une tension positive, ce qui corrode le métal. Cette méthode permet de créer des microstructures et des nanostructures en surface en forçant par le passage d'un courant électrique l’oxydation du métal soumis à une tension positive. L’anodisation peut se faire à la surface des plusieurs métaux comme le titane ou encore l’aluminium. L’anodisation d’aluminium se fait habituellement dans une solution d’acide sulfurique, laquelle permet la création de micro et nanopores où l’électrolyte peut pénétrer la structure et de l’oxyder. Le recouvrement de ces rugosités par des molécules de groupements de grosseurs appropriés permet de les rendre superhydrophobes.

Zheng et al. [27] ont anodisé de cette façon de l'aluminium dans un bain d’acide sulfurique pendant 60 minutes. La structure obtenue a ensuite été plongée dans l’acide myristique pendant 30 minutes. En faisant variant le voltage tout en maintenant la température et la concentration constantes, on a obtenu à +16 V une structure optimale ayant un angle de contact maximal de 156° avec l'aluminium. Ce procédé permet la création sur l'aluminium de surfaces superhydrophobes à grande échelle.

Lithographie

La lithographie permet la création de microrugosités superficielles sur de larges surfaces. La méthode consiste à projeter dans une chambre à vide un faisceau d’électrons, sur un échantillon. Le recouvrement de ces rugosités et des inter espaces d'une couche d'un polymère hydrophobe nanostructuré peut se fait ensuite rapidement et de façon très reproductible.

Feng et al. [28] ont étudié l’effet d’un tel faisceau d’électrons pour obtenir par lithographie deux types de structures, micro et nano, sur une surface d’un époxyde la superhydrophobicité. Cette technique est très avantageuse pour la production bien contrôlée de structures hiérarchiques, les microrugosités étant recouvertes des nanorugosités. Dans cette technique, il est possible en effet d'en contrôler parfaitement les paramètres géométriques des microrugosités que l'on veut créer comme la forme, l’espacement, les grosseurs, etc.

Une variante du procédé de lithographie consiste à appliquer sur l’échantillon un masque reproduisant des microrugosités, sur lesquels des nanosphères sont projetées pour former un motif dense et compact. Shiu et al. [29] ont rendu de cette façon un échantillon superhydrophobe en le recouvrant de nanosphères de 170nm de polystyrène . Dans ce procédé, les nanosphères ont été appliquées par projection centrifuge, permettant ainsi un arrangement parfaitement ordonné. En faisant varier le diamètre des nanosphères et en modifiant les topographies sous jet de plasma en atmosphère d’oxygène, on a pu créer des substrats de polystyrène avec des valeurs d'angle de contact de plus de 165°. L’utilisation de cette variante permet de créer des micros et des nanorugosités de façon uniforme et reproductible.

Si la lithographie permet de traiter un substrat de façon bien organisée, le procédé doit toutefois être effectué à l'aide d’un équipement dispendieux très spécialisé ce qui contribue à augmenter les coûts de fabrication des revêtements superhydrophobes.

Comme on peut le constater, les trois méthodes descendantes «par arrachement» sont facilement applicables aux substrats métalliques assez rapidement et facilement permettant l’obtention de microrugosités . Des trois méthodes l’utilisation de la gravure et de l’anodisation permettent l’ajout de microrugosités à coûts moindre.