Hydrophobe - Hydrophobe

Angle de contact avec l'eau de 165 degrés sur une surface modifiée à l'aide de la chimie de surface du système de technologie plasma. L'angle de contact est l'angle rouge plus 90 degrés.
Goutte de rosée sur une surface de feuille hydrophobe
Découpe d' une goutte d'eau au moyen d' un superhydrophobe couteau sur les surfaces superhydrophobes
Gouttes d'eau sur la surface hydrophobe de l'herbe

En chimie , l' hydrophobie est la propriété physique d'une molécule qui est apparemment repoussée par une masse d' eau (appelée hydrophobe ). (Il n'y a aucune force répulsive impliquée ; c'est une absence d'attraction.) En revanche, les hydrophiles sont attirés par l'eau.

Les molécules hydrophobes ont tendance à être non polaires et, par conséquent, préfèrent d'autres molécules neutres et solvants non polaires . Parce que les molécules d'eau sont polaires, les hydrophobes ne se dissolvent pas bien entre elles. Les molécules hydrophobes dans l'eau se regroupent souvent pour former des micelles . L'eau sur les surfaces hydrophobes présentera un angle de contact élevé .

Des exemples de molécules hydrophobes comprennent les alcanes , les huiles , les graisses et les substances grasses en général. Les matériaux hydrophobes sont utilisés pour l'élimination du pétrole de l'eau, la gestion des déversements de pétrole et les processus de séparation chimique pour éliminer les substances non polaires des composés polaires.

Hydrophobe est souvent utilisé de manière interchangeable avec lipophile , « amoureux des graisses ». Cependant, les deux termes ne sont pas synonymes. Alors que les substances hydrophobes sont généralement lipophiles, il existe des exceptions, telles que les silicones et les fluorocarbures .

Le terme hydrophobe vient du grec ancien ὑδρόφόβος (hýdrophóbos), « avoir horreur de l'eau », construit à partir du grec ancien ὕδωρ (húdōr)  « eau » et du grec ancien φόβος (phóbos)  « peur ».

Contexte chimique

L'interaction hydrophobe est principalement un effet entropique provenant de la rupture des liaisons hydrogène hautement dynamiques entre les molécules d'eau liquide par le soluté non polaire formant une structure de type clathrate autour des molécules non polaires. Cette structure formée est plus hautement ordonnée que les molécules d'eau libres en raison du fait que les molécules d'eau s'arrangent pour interagir autant que possible avec elles-mêmes, et entraîne ainsi un état entropique plus élevé qui amène les molécules non polaires à s'agglutiner pour réduire la surface exposée à l'eau et diminuer l'entropie du système. Ainsi, les deux phases non miscibles (hydrophile vs hydrophobe) changeront de sorte que leur surface interfaciale correspondante sera minimale. Cet effet peut être visualisé dans le phénomène appelé séparation de phases .

Superhydrophobie

Une goutte d'eau sur une feuille de Lotus.

Les surfaces superhydrophobes , telles que les feuilles de lotus, sont celles qui sont extrêmement difficiles à mouiller. Les angles de contact d'une goutte d'eau dépassent 150°. C'est ce qu'on appelle l' effet lotus , et c'est principalement une propriété physique liée à la tension interfaciale , plutôt qu'une propriété chimique.

Théorie

En 1805, Thomas Young définit l'angle de contact θ en analysant les forces agissant sur un repos de gouttelettes de fluide sur une surface solide entouré par un gaz.

Une gouttelette de liquide repose sur une surface solide et est entourée de gaz. L'angle de contact, θ C , est l'angle formé par un liquide à la frontière à trois phases où le liquide, le gaz et se coupent solide.
Une goutte posée sur une surface solide et entouré d'un gaz forme un angle de contact caractéristique  θ . Si la surface solide est rugueuse et que le liquide est en contact intime avec les aspérités solides, la gouttelette est à l'état Wenzel. Si le liquide repose sur le sommet des aspérités, il est à l'état Cassie-Baxter.

= Tension interfaciale entre le solide et le gaz
= Tension interfaciale entre le solide et le liquide
= Tension interfaciale entre le liquide et le gaz

θ peut être mesuré à l'aide d'un goniomètre à angle de contact .

Wenzel a déterminé que lorsque le liquide est en contact intime avec une surface microstructurée, θ passera à thetav W *

r est le rapport entre la superficie réelle et la superficie projetée. L'équation de Wenzel montre que la microstructuration d'une surface amplifie la tendance naturelle de la surface. Une surface hydrophobe (celle qui a un angle de contact d'origine supérieur à 90°) devient plus hydrophobe lorsqu'elle est microstructurée - son nouvel angle de contact devient plus grand que l'original. Cependant, une surface hydrophile (celle qui a un angle de contact d'origine inférieur à 90°) devient plus hydrophile lorsqu'elle est microstructurée - son nouvel angle de contact devient inférieur à celui d'origine. Cassie et Baxter ont découvert que si le liquide est suspendu au sommet des microstructures, θ deviendra θ CB* :

φ est la fraction de surface de la matière solide en contact avec le liquide. Le liquide dans l'état de Cassie-Baxter est plus mobile que dans l'état de Wenzel.

Nous pouvons prédire si l'état de Wenzel ou de Cassie-Baxter doit exister en calculant le nouvel angle de contact avec les deux équations. Par un argument de minimisation de l'énergie libre, la relation qui a prédit le nouvel angle de contact plus petit est l'état le plus susceptible d'exister. En termes mathématiques, pour que l'état de Cassie-Baxter existe, l'inégalité suivante doit être vraie.

Un critère alternatif récent pour l'état de Cassie-Baxter affirme que l'état de Cassie-Baxter existe lorsque les 2 critères suivants sont remplis : 1) Les forces de la ligne de contact surmontent les forces corporelles du poids des gouttelettes non supportées et 2) Les microstructures sont suffisamment hautes pour empêcher le liquide qui empêche les microstructures de toucher la base des microstructures.

Un nouveau critère pour le basculement entre les états de Wenzel et de Cassie-Baxter a été développé récemment, basé sur la rugosité de surface et l'énergie de surface. Le critère se concentre sur la capacité de piégeage d'air sous des gouttelettes de liquide sur des surfaces rugueuses, ce qui pourrait indiquer si le modèle de Wenzel ou le modèle de Cassie-Baxter doit être utilisé pour une certaine combinaison de rugosité de surface et d'énergie.

L'angle de contact est une mesure de l'hydrophobie statique, et l' hystérésis de l'angle de contact et l'angle de glissement sont des mesures dynamiques. L'hystérésis de l'angle de contact est un phénomène qui caractérise l'hétérogénéité de surface. Lorsqu'une pipette injecte un liquide sur un solide, le liquide forme un certain angle de contact. Au fur et à mesure que la pipette injecte plus de liquide, la gouttelette augmentera de volume, l'angle de contact augmentera, mais sa limite triphasée restera stationnaire jusqu'à ce qu'elle avance soudainement vers l'extérieur. L'angle de contact que la gouttelette avait juste avant d'avancer vers l'extérieur est appelé angle de contact d'avance. L'angle de contact fuyant est maintenant mesuré en pompant le liquide hors de la gouttelette. La gouttelette diminuera de volume, l'angle de contact diminuera, mais sa limite triphasée restera stationnaire jusqu'à ce qu'elle recule soudainement vers l'intérieur. L'angle de contact que la gouttelette avait juste avant de s'éloigner vers l'intérieur est appelé angle de contact fuyant. La différence entre les angles de contact en avance et en retrait est appelée hystérésis d'angle de contact et peut être utilisée pour caractériser l'hétérogénéité, la rugosité et la mobilité de la surface. Les surfaces qui ne sont pas homogènes auront des domaines qui empêchent le mouvement de la ligne de contact. L'angle de glissement est une autre mesure dynamique de l'hydrophobie et est mesuré en déposant une gouttelette sur une surface et en inclinant la surface jusqu'à ce que la gouttelette commence à glisser. En général, les liquides dans l'état Cassie-Baxter présentent des angles de glissement et une hystérésis d'angle de contact inférieurs à ceux de l'état Wenzel.

Recherche et développement

Des gouttelettes d'eau roulent sur une surface hydrophobe inclinée.
Gouttelettes d'eau sur une surface artificielle hydrophobe (à gauche)

Dettre et Johnson ont découvert en 1964 que le phénomène d' effet lotus superhydrophobe était lié à des surfaces hydrophobes rugueuses, et ils ont développé un modèle théorique basé sur des expériences avec des billes de verre recouvertes de paraffine ou de télomère TFE. La propriété autonettoyante des surfaces micro- nanostructurées superhydrophobes a été rapportée en 1977. Des matériaux superhydrophobes perfluoroalkyle, perfluoropolyéther et plasma RF ont été développés, utilisés pour l' électromouillage et commercialisés pour des applications biomédicales entre 1986 et 1995. D'autres technologies et applications ont été apparu depuis le milieu des années 1990. Une composition hiérarchique superhydrophobe durable, appliquée en une ou deux étapes, a été divulguée en 2002 comprenant des particules de taille nanométrique 100 nanomètres recouvrant une surface ayant des caractéristiques de taille micrométrique ou des particules 100 micromètres. On a observé que les particules plus grosses protégeaient les particules plus petites de l'abrasion mécanique.

Dans des recherches récentes, la superhydrophobie a été signalée en permettant au dimère d' alkylcétène (AKD) de se solidifier en une surface fractale nanostructurée. De nombreux articles ont depuis présenté des méthodes de fabrication pour produire des surfaces superhydrophobes, notamment le dépôt de particules, les techniques sol-gel, les traitements au plasma, le dépôt en phase vapeur et les techniques de coulée. L'opportunité actuelle d'impact de la recherche réside principalement dans la recherche fondamentale et la fabrication pratique. Des débats ont récemment émergé concernant l'applicabilité des modèles Wenzel et Cassie-Baxter. Dans une expérience conçue pour défier la perspective d'énergie de surface du modèle Wenzel et Cassie-Baxter et promouvoir une perspective de ligne de contact, des gouttes d'eau ont été placées sur un point hydrophobe lisse dans un champ hydrophobe rugueux, un point hydrophobe rugueux dans un champ hydrophobe lisse, et une tache hydrophile dans un champ hydrophobe. Les expériences ont montré que la chimie de surface et la géométrie de la ligne de contact affectaient l'angle de contact et l' hystérésis de l'angle de contact , mais la surface à l'intérieur de la ligne de contact n'avait aucun effet. Un argument selon lequel une irrégularité accrue dans la ligne de contact améliore la mobilité des gouttelettes a également été proposé.

De nombreux matériaux hydrophobes trouvés dans la nature reposent sur la loi de Cassie et sont biphasiques au niveau submicrométrique avec un composant d'air. L'effet lotus est basé sur ce principe. En s'en inspirant , de nombreuses surfaces fonctionnelles superhydrophobes ont été préparées.

Un exemple de matériau superhydrophobe bionique ou biomimétique en nanotechnologie est le film nanopin .

Une étude présente une surface de pentoxyde de vanadium qui bascule de manière réversible entre la superhydrophobie et la superhydrophilie sous l'influence du rayonnement UV. Selon l'étude, toute surface peut être modifiée à cet effet par application d'une suspension de particules de V 2 O 5 roses , par exemple avec une imprimante à jet d' encre . Encore une fois, l'hydrophobie est induite par des poches d'air interlaminaires (séparées par des distances de 2,1 nm ). L'effet UV est également expliqué. La lumière UV crée des paires électron-trou , les trous réagissant avec l'oxygène du réseau, créant des lacunes d'oxygène à la surface, tandis que les électrons réduisent V 5+ à V 3+ . Les lacunes en oxygène sont comblées par l'eau, et c'est cette capacité d'absorption d'eau par la surface de vanadium qui la rend hydrophile. Par un stockage prolongé dans l'obscurité, l'eau est remplacée par de l'oxygène et l' hydrophilie est à nouveau perdue.

Une majorité significative de surfaces hydrophobes ont leurs propriétés hydrophobes conférées par une modification structurelle ou chimique d'une surface d'un matériau en vrac, par le biais de revêtements ou de traitements de surface. C'est-à-dire que la présence d'espèces moléculaires (généralement organiques) ou de caractéristiques structurelles entraîne des angles de contact élevés avec l'eau. Ces dernières années, il a été démontré que les oxydes de terres rares possèdent une hydrophobie intrinsèque. L'hydrophobie intrinsèque des oxydes de terres rares dépend de l'orientation de la surface et des niveaux de lacunes en oxygène, et est naturellement plus robuste que les revêtements ou les traitements de surface, ayant des applications potentielles dans les condenseurs et les catalyseurs pouvant fonctionner à des températures élevées ou dans des environnements corrosifs.

Applications et applications potentielles

Le béton hydrophobe est produit depuis le milieu du 20e siècle.

Des recherches récentes et actives sur les matériaux superhydrophobes pourraient éventuellement conduire à des applications plus industrielles.

Une routine simple d'enduction d'un tissu de coton avec des particules de silice ou d' oxyde de titane par la technique sol-gel a été rapportée, ce qui protège le tissu de la lumière UV et le rend superhydrophobe.

Une routine efficace a été rapportée pour rendre le polyéthylène superhydrophobe et donc autonettoyant. 99% de la saleté sur une telle surface est facilement lavée.

Les surfaces superhydrophobes à motifs sont également prometteuses pour les dispositifs microfluidiques de laboratoire sur puce et peuvent considérablement améliorer la bioanalyse basée sur la surface.

Dans les produits pharmaceutiques, l'hydrophobie des mélanges pharmaceutiques affecte d'importants attributs de qualité des produits finaux, tels que la dissolution et la dureté du médicament . Des méthodes ont été développées pour mesurer l'hydrophobie des matériaux pharmaceutiques.

Voir également

Les références

Liens externes