Surfaces hydrofuges améliorées découvertes dans la nature

En étudiant les surfaces des insectes, les chercheurs de Penn State ont détaillé une nanostructure non identifiée auparavant qui peut être utilisée pour concevoir des revêtements hydrofuges plus résistants et plus résistants.

Les résultats de cette recherche ont été publiés aujourd’hui (17 juillet) dans Avancées scientifiques.

Avec une capacité améliorée à repousser les gouttelettes, cette conception pourrait être appliquée aux équipements de protection individuelle (EPI) pour mieux résister aux particules chargées de virus, telles que COVID-19, entre autres applications.

«Au cours des dernières décennies, les surfaces hydrofuges de conception conventionnelle ont généralement été à base de plantes, comme les feuilles de lotus», a déclaré Lin Wang, étudiant au doctorat au Département de science des matériaux et de génie de Penn State et auteur principal de l’article.

Les théories de l’ingénierie classique ont utilisé cette approche pour créer des surfaces superhydrophobes ou hydrofuges. Traditionnellement, ils sont fabriqués avec des textures à faible fraction solide, qui maintiennent une couche d’air extrêmement mince au-dessus d’une faible densité de nanostructures microscopiques ressemblant à des cheveux, que les chercheurs comparent à une table de hockey sur air.

« Le raisonnement est que si la gouttelette ou l’objet flotte au-dessus de cet air, il ne restera pas collé à la surface », a déclaré Tak-Sing Wong, professeur d’ingénierie Wormley Early Career, professeur agrégé de génie mécanique et biomédical et Le conseiller de Wang.

Puisqu’il fonctionne efficacement, les revêtements synthétiques ont tendance à imiter la faible densité de ces nanostructures.

Cependant, cet article détaille une approche entièrement différente. En examinant des surfaces comme l’œil d’un moustique, le corps d’un springtail ou l’aile d’une cigale sous des microscopes électroniques à haute résolution, Wang a constaté que les poils nanoscopiques sur ces surfaces sont plus denses, appelés en ingénierie des textures à fraction solide élevée. À la suite d’une exploration plus approfondie, cet écart important par rapport à la structure des usines pourrait conférer des avantages supplémentaires de répulsion de l’eau.

« Imaginez si vous aviez une densité élevée de ces nanostructures sur une surface », a déclaré Wang. « Il pourrait être possible de maintenir la stabilité de la couche d’air grâce à des forces d’impact plus élevées. »

Cela pourrait également signifier que les structures plus denses peuvent être capables de repousser le liquide qui se déplace à une vitesse plus élevée, comme les gouttes de pluie.

Bien que le concept de conception soit nouveau pour l’homme, les chercheurs théorisent que cette nanostructure renforce la résilience de l’insecte dans son environnement naturel.

« Pour ces surfaces d’insectes, repousser les gouttelettes d’eau est une question de vie ou de mort. La force d’impact des gouttes de pluie est suffisante pour les porter au sol et les tuer », a déclaré Wang. « Donc, il est vraiment important pour eux de rester au sec, et nous avons compris comment. »

Avec ces connaissances glanées dans la nature, les chercheurs espèrent appliquer ce principe de conception pour créer des revêtements de nouvelle génération. En développant une surface hydrofuge qui peut résister à des mouvements plus rapides et à des gouttelettes d’impact plus élevées, les applications sont abondantes.

Des petits véhicules robotisés volants, tels que les drones avec lesquels Amazon espère livrer des colis, aux avions de ligne commerciaux, un revêtement capable d’émuler ces surfaces d’insectes pourrait offrir une efficacité et une sécurité accrues.

Cependant, à la lumière de la pandémie de COVID-19, les chercheurs ont depuis réalisé que ces connaissances pourraient avoir un impact supplémentaire sur la santé humaine.

« Nous espérons que, lorsqu’il sera développé, ce revêtement pourrait être utilisé pour les EPI. Par exemple, si quelqu’un éternue autour d’un écran facial, ce sont des gouttelettes à grande vitesse. Avec un revêtement traditionnel, ces particules pourraient adhérer à la surface de l’EPI », Wong m’a dit. « Cependant, si les principes de conception détaillés dans cet article étaient adoptés avec succès, il aurait la capacité de repousser ces gouttelettes beaucoup mieux et de garder potentiellement la surface exempte de germes. »

Comme on le voit dans ce travail, le Laboratoire Wong pour une ingénierie inspirée de la nature tire des enseignements des phénomènes biologiques pour rendre les innovations de l’humanité meilleures et plus efficaces.

« Bien que nous n’imaginions pas cette application au début de ce projet, COVID-19 nous a fait réfléchir à la façon dont nous pouvons utiliser ce principe de conception au profit d’un plus grand nombre de personnes », a déclaré Wong. « C’est à nous, ingénieurs, de prendre ces découvertes et de les appliquer de manière significative. »

La prochaine étape de ce travail consistera à développer une méthode rentable à grande échelle qui peut fabriquer un revêtement pour imiter ces propriétés.

« Dans le passé, nous n’avions pas de surface efficace qui pourrait repousser les gouttelettes d’eau à grande vitesse », a déclaré Wong. « Mais les insectes nous ont dit comment. Il y a tellement d’exemples comme celui-ci dans la nature; nous avons juste besoin d’apprendre d’eux. »