Les plastrons hydrofuges gardent les surfaces sèches pendant des mois sous l’eau

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” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>espèce de l’araignée vit toute sa vie sous l’eau, malgré ses poumons qui ne peuvent respirer que l’oxygène de l’air. Comment ça fait ? Cette araignée, connue sous le nom de Argyroneta aquatiquepossède des millions de poils rugueux et hydrofuges qui emprisonnent l’air autour de son corps, créant un réservoir d’oxygène et agissant comme une barrière entre les poumons de l’araignée et l’eau.

Exploiter les plastrons pour la science des matériaux

Cette fine couche d’air s’appelle un plastron et depuis des décennies, les scientifiques des matériaux tentent d’exploiter ses effets protecteurs. Cela pourrait conduire à des surfaces sous-marines superhydrophobes capables d’empêcher la corrosion, la croissance bactérienne, l’adhésion d’organismes marins, l’encrassement chimique et d’autres effets délétères du liquide sur les surfaces. Mais les plastrons se sont révélés très instables sous l’eau, gardant les surfaces sèches pendant seulement quelques heures en laboratoire.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs dirigée par la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), le Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering de Harvard, la Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg en Allemagne et l’Université Aalto de La Finlande a développé une surface superhydrophobe avec un plastron stable qui peut durer des mois sous l’eau. La stratégie générale de l’équipe visant à créer des surfaces superhydrophobes sous-marines durables, qui repoussent le sang et réduisent ou empêchent considérablement l’adhésion des organismes bactériens et marins tels que les balanes et les moules, ouvre une gamme d’applications en biomédecine et dans l’industrie.

Découvertes et défis de la recherche

“La recherche sur les matériaux bioinspirés est un domaine extrêmement passionnant qui continue d’introduire dans le domaine des matériaux fabriqués par l’homme des solutions élégantes évoluées dans la nature, ce qui nous permet d’introduire de nouveaux matériaux dotés de propriétés jamais vues auparavant”, a déclaré Joanna Aizenberg, professeure à Amy Smith Berylson. de science des matériaux et professeur de chimie et de biologie chimique à SEAS et co-auteur de l’article. “Cette recherche illustre comment la découverte de ces principes peut conduire au développement de surfaces qui maintiennent la superhydrophobie sous l’eau.”

Aizenberg est également membre associé du corps professoral du Wyss Institute.

La recherche est publiée dans Matériaux naturels.

Les chercheurs savent depuis 20 ans qu’un plastron sous-marin stable est théoriquement possible, mais jusqu’à présent, ils n’ont pas pu le démontrer expérimentalement.

L’un des plus gros problèmes des plastrons est qu’ils ont besoin de surfaces rugueuses pour se former, comme les cheveux de Argyroneta aquatique. Mais cette rugosité rend la surface mécaniquement instable et sensible à toute petite perturbation de température, de pression ou à tout petit défaut.

Une surface aérophile fabriquée à partir d’un alliage de titane couramment utilisé et peu coûteux avec un plastron longue durée reste au sec pendant des centaines de dunks dans une boîte de Pétri remplie de sang. Crédit : Alexander B. Tesler/Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Techniques et résultats innovants

Les techniques actuelles d’évaluation des surfaces superhydrophobes fabriquées artificiellement ne prennent en compte que deux paramètres, qui ne donnent pas suffisamment d’informations sur la stabilité du plastron aérien sous l’eau. Aizenberg, Jaakko VI Timonen et Robin HA Ras de l’Université Aalto, ainsi qu’Alexander B. Tesler et Wolfgang H. Goldmann de FAU et leurs équipes ont identifié un groupe plus large de paramètres, notamment des informations sur la rugosité de la surface, l’hydrophobicité des molécules de surface, la couverture du plastron. , les angles de contact, etc., qui, combinés à la théorie thermodynamique, leur ont permis de déterminer si le plastron aérien serait stable.

Avec cette nouvelle méthode et une technique de fabrication simple, l’équipe a conçu une surface dite aérophile à partir d’un titane couramment utilisé et peu coûteux.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute”:”data-cmtooltip”, “format”:”html”}]”>alliage avec un plastron longue durée qui maintenait la surface sèche des milliers d’heures de plus que les expériences précédentes et même plus longtemps que les plastrons des espèces vivantes.

“Nous avons utilisé une méthode de caractérisation suggérée par des théoriciens il y a 20 ans pour prouver que notre surface est stable, ce qui signifie que non seulement nous avons créé un nouveau type de surface superhydrophobe extrêmement répulsive et extrêmement durable, mais que nous pouvons également avoir une voie de recommencer avec un matériau différent », a déclaré Tesler, ancien boursier postdoctoral au SEAS et au Wyss Institute, et auteur principal de l’article.

Pour prouver la stabilité du plastron, les chercheurs ont passé la surface à travers la bague en la pliant, en la tordant, en la soufflant avec de l’eau chaude et froide et en l’abrasant avec du sable et de l’acier pour bloquer la surface restant aérophilie. Il a survécu 208 jours immergé dans l’eau et des centaines de plongées dans une boîte de Pétri remplie de sang. Cela a considérablement réduit la croissance de E. coli et des balanes à sa surface et ont complètement stoppé l’adhésion des moules.

Applications et perspectives d’avenir

“La stabilité, la simplicité et l’évolutivité de ce système le rendent précieux pour les applications du monde réel”, a déclaré Stefan Kolle, étudiant diplômé de SEAS et co-auteur de l’article. “Avec l’approche de caractérisation présentée ici, nous démontrons une boîte à outils simple qui vous permet d’optimiser votre surface superhydrophobe pour atteindre la stabilité, ce qui modifie considérablement votre espace d’application.”

Cet espace d’application comprend des applications biomédicales, où il pourrait être utilisé pour réduire les infections après une intervention chirurgicale ou comme implants biodégradables tels que des stents, selon Goldmann, auteur principal de l’article et ancien membre de Harvard. Il inclut également des applications sous-marines, où il pourrait empêcher la corrosion des pipelines et des capteurs. À l’avenir, il pourrait même être utilisé en combinaison avec le revêtement ultra-lisse connu sous le nom de SLIPS, Slippery Liquid-Infused Porous Surfaces, développé par Aizenberg et son équipe il y a plus de dix ans, pour protéger encore davantage les surfaces de la contamination.

Référence : « Stabilité à long terme des surfaces métalliques aérophiles sous l’eau » par Alexander B. Tesler, Stefan Kolle, Lucia H. Prado, Ingo Thievessen, David Böhringer, Matilda Backholm, Bhuvaneshwari Karunakaran, Heikki A. Nurmi, Mika Latikka, Lena Fischer, Shane Stafslien, Zoran M. Cenev, Jaakko VI Timonen, Mark Bruns, Anca Mazare, Ulrich Lohbauer, Sannakaisa Virtanen, Ben Fabry, Patrik Schmuki, Robin HA Ras, Joanna Aizenberg et Wolfgang H. Goldmann, 18 septembre 2023, Matériaux naturels.
DOI : 10.1038/s41563-023-01670-6

Cet article a été co-écrit par Lucia H. Prado, Ingo Thievessen, David Böhringer, Lena Fischer, Mark Bruns, Anca Mazare, Ulrich Lohbauer, Sannakaisa Virtanen, Ben Fabry, Patrik Schmuki et Wolfgang H. Goldmann du Friedrich-Alexander- Université d’Erlangen-Nuremberg en Allemagne ; et Matilda Backholm, Bhuvaneshwari Karunakaran, Heikki A. Nurmi, Mika Latikka, Zoran M. Cenev, Jaakko VI Timonen et Robin HA Ras de l’Université Aalto en Finlande ; et Shane Stafslien de l’Université d’État du Dakota du Nord.