Greentech Science : un nouveau matériau repousse presque complètement l’eau

Des chercheurs du KIT et de l’Institut indien de technologie Guwahati (IITG) ont développé un matériau de surface qui repousse presque complètement l’eau. À l’aide d’un tout nouveau processus, ils ont modifié des composés à structure métallo-organique (MOF) – des matériaux conçus artificiellement dotés de nouvelles propriétés – à l’aide de chaînes d’hydrocarbures.

Les propriétés superhydrophobes, c’est-à-dire hautement hydrofuges, qui en résultent sont intéressantes pour une utilisation comme surfaces autonettoyantes qui doivent être résistantes aux influences environnementales, par exemple dans les automobiles ou dans l’architecture.

Les MOF (Metal-Organic Frameworks) sont constitués de métaux reliés par des entretoises constituées de molécules organiques pour former des réseaux avec des pores vides, semblables à une éponge. Leurs propriétés volumiques – si vous dépliez deux grammes de ce matériau, vous obtiendriez la superficie d’un terrain de football – les rendent intéressantes pour des applications telles que le stockage de gaz, la capture du dioxyde de carbone ou les nouvelles technologies dans le domaine de la médecine.

Mais les surfaces extérieures de ces matériaux cristallins offrent également des possibilités uniques, que l’équipe de recherche a désormais exploitées avec une nouvelle idée : elles ont ancré des chaînes d’hydrocarbures sur de minces films MOF. Un angle de contact avec l’eau de plus de 160 degrés a été observé – plus l’angle que forme la surface d’une goutte d’eau avec un substrat est grand, plus le matériau est hydrofuge.

Nouvelle génération de matériaux « superhydrophobes »

L’équipe attribue ces résultats à la disposition en brosse (brosses polymères) des chaînes d’hydrocarbures sur les MOF. Une fois ancrés aux matériaux MOF, ceux-ci sont particulièrement efficaces pour former des « enchevêtrements » – un état de désordre que la science appelle « état d’entropie élevée » et qui est essentiel pour les propriétés hydrofuges.

Selon les chercheurs, cet état n’a pas été observé pour des chaînes hydrocarbonées ancrées sur d’autres matériaux.

Remarquablement, l’angle de contact avec l’eau n’a pas augmenté par perfluoration des chaînes hydrocarbonées, c’est-à-dire en remplaçant les atomes d’hydrogène par du fluor. Dans des matériaux comme le Téflon, la perfluoration conduit à des propriétés particulièrement hydrofuges. Grâce au matériau nouvellement développé, ils ont en fait considérablement réduit l’angle de contact avec l’eau, selon l’équipe. Des analyses plus approfondies dans des simulations informatiques ont confirmé que les molécules perfluorées – contrairement aux chaînes d’hydrocarbures – ne peuvent pas assumer l’état énergétiquement favorable d’une entropie élevée.

Nouvelle génération de matériaux « superhydrophobes »

L’équipe attribue ces résultats à la disposition en brosse (brosses polymères) des chaînes d’hydrocarbures sur les MOF. Une fois ancrés aux matériaux MOF, ceux-ci sont particulièrement efficaces pour former des « enchevêtrements » – un état de désordre que la science appelle « état d’entropie élevée » et qui est essentiel pour les propriétés hydrofuges. Selon les chercheurs, cet état n’a pas été observé pour des chaînes hydrocarbonées ancrées sur d’autres matériaux.

Remarquablement, l’angle de contact avec l’eau n’a pas augmenté par perfluoration des chaînes hydrocarbonées, c’est-à-dire en remplaçant les atomes d’hydrogène par du fluor. Dans des matériaux comme le Téflon, la perfluoration conduit à des propriétés particulièrement hydrofuges.

Grâce au matériau nouvellement développé, ils ont en fait considérablement réduit l’angle de contact avec l’eau, selon l’équipe. Des analyses plus poussées dans des simulations informatiques ont confirmé que les molécules perfluorées – contrairement aux chaînes d’hydrocarbures – ne présentent pas un état énergétiquement favorable.

L’étude a été publiée dans la revue Materials Horizons. (DOI : 10.1039/D4MH00899E)