Matériaux multifonctions : antipluie, antibuée, antireflets

par Timothée Mouterde

Thèse de doctorat en Mécanique des fluides

Sous la direction de David Quéré et de Christophe Clanet.

Soutenue le 31-03-2017

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec Laboratoire d'Hydrodynamique de l'École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , École polytechnique (Palaiseau, Essonne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire d'hydrodynamique / LadHyX (laboratoire) .

Le président du jury était Lydéric Bocquet.

Le jury était composé de David Quéré, Christophe Clanet, Howard A. Stone, Gaelle Lehoucq.

Les rapporteurs étaient Dominic Vella, Anne-Laure Himbert-Biance.


  • Résumé

    L’eau sur une feuille de Lotus est connue pour être étonnamment mobile, cette propriété émergeant de la présence sur la feuille de rugosités hydrophobes micrométriques. À l’image d’un fakir qui ne touche que les pointes des clous de son tapis, une goutte sur une telle surface ne repose que sur les sommets des rugosités. Le liquide est ainsi sur coussin d’air d’où sa grande mobilité. Cette propriété est appelée superhydrophobie et permet de repousser efficacement l’eau. Cependant en situations humides, comme au contact d’un liquide chaud, la buée qui se condense dans les textures micrométriques de la surface altère ces propriétés anti-eau. D’autres surfaces naturelles sont superhydrophobes, parmi elles, les ailes des cigales, qui sont pourvues de cônes de l’ordre de 100 nm. Sur ces ailes, et contrairement au lotus, l’eau sous forme de buée semble garder sa mobilité : des gouttes qui coalescent sur cette surface peuvent s’éjecter de la surface par transfert d’énergie de surface en énergie cinétique.Dans cette thèse, nous avons étudié avec des surfaces modèles l’effet de la taille et de la forme de nano-rugosités sur les propriétés antibuée de surfaces superhydrophobes. Cette thèse se divise en deux parties.Dans une première partie, nous avons étudié la résistance des surfaces nanostructurées aux figures de souffle. Nous avons mis en évidence avec des surfaces modèles que la forme des rugosités jouait un rôle clé dans l’antibuée. Des piliers coniques permettent d’obtenir une éjection des gouttes de buée pour la quasi-totalité (95%) des coalescences, alors que des piliers cylindriques de même échelle ont une efficacité proche de zéro. Nous nous sommes alors naturellement intéressés au mécanisme d’éjection de la buée et avons d’abord montré que la vitesse de saut des gouttes est gouvernée par un transfert de quantité de mouvement de l’horizontale à la verticale. Nous avons ensuite observé que la dissipation visqueuse limitait la vitesse de saut des gouttes de rayon inférieur à 5 µm.Dans la seconde partie de cette thèse, nous avons testé l’adhésion de gouttes d’eau chaudes sur des surfaces dont la rugosité va de la cinquantaine de nanomètres au micromètre. Nous avons montré que plus une structure est compacte, plus elle apporte une résistance aux liquides chauds. C’est du compartimentage de la buée par les piliers qu’émerge cette propriété : si les rugosités sont trop espacées, la buée qui se condense sous la goutte remplace l’air à l’origine de la mobilité; à l’inverse, des piliers suffisamment rapprochés permettent de bloquer le liquide et ainsi de conserver air et mobilité. Ces résultats fondés sur une étude statique ne prennent pas en compte, par définition, la dynamique de la formation de buée. Nous avons donc pour compléter cette étude, à la situation dynamique des impacts de gouttes chaudes. Contrairement à toutes les conclusions précédentes, dans ce cas anti-pluie, des surfaces de rugosité micrométrique peuvent avoir un meilleur comportement antibuée que celles de rugosité sub-micrométrique. Cela est dû au temps nécessaire pour que les gouttes de condensation remplissent les textures sous la goutte : il augmente avec la hauteur des piliers, si bien que la buée n’a pas d’effet quand le temps de rebond est inférieur au temps de remplissage.Au total, cette thèse a permis de mettre en évidence la grande diversité des propriétés antibuée que l’on peut obtenir en fonction de l’échelle des rugosités.

  • Titre traduit

    Multifunctional materials : anti-rain, anti-fog, anti-reflection


  • Résumé

    Water on a lotus leaf is known to be surprisingly mobile. This surprising property arises from the hydrophobic micrometric roughness of the leaf. Like a fakir that sits only on the nails’ tip, water drop on such surface contacts only the tops of the surface features. Water is then, as a hovercraft, on an air cushion that makes it extremely mobile. This property water repelling property is called superhydrophobicity. However, in humid atmospheres or when in contact with hot water, water condensate in the roughness, which may destroy the repellence. Other natural surfaces are superhydrophobic: cicada wings are covered with hydrophobic conical features of typical size 100 nm. On those wings, water condensing seems to stay really mobile: merging drops can be ejected from the surface.In this thesis, we study with model superhydrophobic surfaces the shape and size effect of roughness on the antifogging properties. In particular, we focus on the decrease of size to the nanometric scale. This work has two main parts.In the first part, we studied the resistance of nanostructured materials to breath figures. We demonstrate, with model surfaces, the key role played by the shape of the features on antifogging property. Conical pillars are close to a full efficiency for jumping droplets: 95% of the coalescing drops jump of the substrate, with cylindrical pillars this rate falls below 0.5%. Naturally, we then studied this jumping mechanism. We found out that a momentum transfer from horizontal to vertical governs the jumping velocity of merging drops. We then observed that viscosity dissipation limits the jumping velocity of droplets with a radius lower than 5 µm.In the second part of this work, we probed hot water repellency. To do so, we studied adhesion of hot water drops on model nanotextures of size ranging from 50 nm to 1 µm. Our study shows that the denser the textures are, the more the surface resists to hot water. This property comes from the subdivision of condensation: close pillars limit the propagation of liquid in the air layer under the drop responsible for water mobility. On the contrary, if pillars are more spaced than condensation nucleii, water will invade all the roughness and the solid will behave as a hydrophilic surface and sticks the drop. This study does not take into account the dynamic effect of condensation. To investigate this, we probed antifogging ability in hot water drops bouncing experiments. Surprisingly, in this case taller features (typically a few micrometers) are more efficient than their nanometric counterparts. The time needed for condensation to fill the gap between the surface and pillars top can be greater than the bouncing time of water drops. In that case condensation has no effect on adhesion.In this thesis, we probed the different kind of antifogging abilities that appear when varying the textures’ scale.


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