Dynamique des microencrassements sous écoulement d'eau entraîné par cisaillement. Séquence d'images vue de dessous montrant des cristallites de carbonate de calcium sur (A) du verre non revêtu, (B) du verre revêtu de 1H,1H,2H,2H-perfluorodécyltriéthoxysilane (PFDTES), (C) du verre revêtu de polydiméthylsiloxane (PDMS 10:1) (revêtement épaisseur, δ ≈ 10 μm), et (E) diacrylate de poly(éthylène glycol) (PEG-DA 10) – verre enduit (δ ≈ 10 μm) immergé dans l'eau et soumis à un écoulement de cisaillement (à partir de t = 0 s, le débit augmente de 7 à 103 ml/min dans un canal de 80 μm de hauteur, ce qui donne une vitesse globale = 0,2 à 6 ms−1). L'image en médaillon révèle que le diamètre des cristallites est d'environ 5 à 15 µm. Images zoom montrant l'élimination des monocristallites des substrats conformes (D) PDMS 10:1 et (F) PEG-DA 10. Nous définissons le nombre de cristallites visibles sur la surface comme étant n et sa valeur initiale, n0. (G) Evolution temporelle de n/n0 pour divers revêtements sur substrats en verre. Les lignes représentant les valeurs moyennes et les régions ombrées sont l'écart-type pour e ≥ 9 expériences sur N = 3 échantillons indépendants. (H) Influence de la rigidité et de la mouillabilité sur n(t = 20 s)/n0 pour divers revêtements sur substrats en verre. Barres d'échelle, (A) à (C) et (E) 100 μm ; encart : (A) 10 μm et (D) et (F) 10 μm. Crédit: Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0324
Le processus d’encrassement par cristallisation est un phénomène de formation de tartre sur les surfaces. Elle est répandue dans la nature et dans la technologie et affecte les secteurs de l’énergie et de l’eau. Malgré les tentatives précédentes, les surfaces conçues de manière rationnelle et dotées d'une résistance intrinsèque restent insaisissables en raison d'un manque de compréhension de la manière dont les micro-encrassements adhèrent dans des environnements aqueux dynamiques.
Dans une étude maintenant publiée dans Avancées scientifiquesJulian Schmid et une équipe de chercheurs en ingénierie des surfaces en Suisse et aux États-Unis ont étudié la dynamique interfaciale des micro-encrassements en utilisant un système de jauge dynamique des fluides à micro-balayage pour démontrer un revêtement développé de manière rationnelle qui élimine 98 % des dépôts dans des conditions d'écoulement de cisaillement.
La dynamique de l'eau et de l'énergie
L'eau et l'énergie sont des ressources interconnectées, où l'eau est nécessaire pour produire de l'énergie pour le transport, le dessalement et le traitement de l'eau. La nature limitée de ces ressources et les défis mondiaux croissants, notamment le changement climatique et la croissance démographique, les soumettent toutefois à des pressions accrues. Les méthodes passives pour repousser la formation de tartre comprennent l’ingénierie de surface, les matériaux d’interface et les revêtements, qui constituent des alternatives intéressantes en matière de durabilité et sont également rentables.
Les chercheurs s'étaient également concentrés auparavant sur le développement de surfaces antifouling rigides qui modifient l'énergie de surface des matériaux pour éliminer l'encrassement. Les scientifiques des matériaux ont montré un intérêt croissant pour le développement de matériaux d'interface et de revêtements qui améliorent les propriétés antisalissure en utilisant les barrières inhérentes au matériau.
Dans ce nouveau travail, Schmid et ses collègues ont développé une nouvelle méthode pour étudier la physique de l'adhésion des micro-encrassements et ont créé une jauge dynamique des fluides à micro-balayage. Les scientifiques ont révélé trois mécanismes sous-jacents d'élimination des microencrassements pour concevoir un revêtement microtexturé et ont testé son évolutivité dans des conditions d'écoulement laminaire et turbulent. Les résultats peuvent faire la lumière sur les propriétés de cristallisation et d’encrassement particulaire et conduire à la conception de matériaux d’interface comme surfaces antisalissure pour relever les défis du lien eau-énergie.
Matériaux bio-inspirés
La nature présente des exemples exceptionnels de systèmes de super-mouillabilité et de transport qui ont contribué au développement de substrats répulsifs bioinspirés pour l’étude de la dynamique des interactions cristallite-eau. Schmid et ses collègues ont quantifié l'élimination des microencrassements de substrats avec une conformité variable en déterminant leur mouillabilité de surface. Par exemple, pour éliminer les cristallites de carbonate de calcium, l’équipe a utilisé un flux de cisaillement d’eau laminaire réglable et a simultanément visualisé le processus en pompant de l’eau à travers un capillaire en verre pour générer une contrainte de cisaillement.
Schmid et son équipe ont également quantifié le processus passif d'élimination des agrégats entraîné par le cisaillement. Par exemple, lorsque l’équipe a appliqué la méthode à un substrat de verre rigide ayant subi un encrassement par cristallisation sous écoulement de cisaillement, elle a observé l’évolution du nombre de cristallites à la surface par rapport à la valeur initiale. De telles surfaces en verre peuvent être rendues hydrophobes par traitement avec du fluorosilane et un silicone souple pour mettre en évidence la nature complexe des interactions substrat-cristallite et démontrer les propriétés de surface avec des microencrassements.
Modèles de microencrassements
Les événements individuels d'élimination des cristallites ont été rapides, ce qui a des implications substantielles pour les matériaux antifouling ou scalaires car cela permet l'élimination des cristallites avant l'accumulation de couches de tartre tenaces. Pour comprendre les mécanismes sous-jacents à une répulsion accrue envers un revêtement à base de tartre, les scientifiques des matériaux ont remplacé des cristallites complexes de taille variable par des microparticules de polystyrène sphériques de taille comparable pour étudier l'effet du cisaillement de l'eau, leur module d'Young, leur mouillabilité et leur épaisseur.
Outre l'encrassement par cristallisation, Schmid et son équipe ont utilisé l'encrassement particulaire en déposant des microencrassements sur le revêtement comme autre sous-ensemble de la méthode. La plupart des microencrassements étaient plus petits que l'épaisseur du revêtement, bien que les encrassements de glace et d'hydrates dépassaient cette épaisseur. Les scientifiques ont réalisé des expériences supplémentaires pour détecter les interactions micro-encrassement-revêtement.
Concevoir et développer un revêtement scalaire
Les recherches existantes ont montré comment les hydrogels uniformes et non poreux avec un faible comportement de gonflement nécessitent une teneur en polymère d'au moins 40 % en poids. Pour suivre un processus de fabrication similaire, Schmid et ses collègues ont choisi d'augmenter la teneur en polymère du revêtement à 50 % en poids, ce qui a affecté négativement les propriétés d'adhésion et d'élimination du revêtement.
Les résultats ont mis en évidence l’excellente phobie du tartre du revêtement. Par exemple, les premiers cristallites ont été retirés du polymère microtexturé presque immédiatement après le début de l’écoulement. Dès le début, l’équipe a éliminé un nombre important de cristallites pour obtenir une surface presque propre afin de mettre en évidence les propriétés de scalophobicité du revêtement conçu dans des conditions d’écoulement turbulent.
Élimination des cristallites par cisaillement du PED-DA 50 microtexturé dans une chambre à flux à plaques parallèles. (A) Schéma (non à l’échelle) de la section de test. La chambre en polyméthacrylate de méthyle est composée d'un canal à plaques parallèles connecté à un système fluidique (réservoir, pompe et débitmètre), qui fournit un écoulement de cisaillement turbulent dans le canal (hauteur a = 3 mm, largeur b = 12 mm, longueur l = 120 mm, diamètre hydraulique DH = 4,8 mm ; Re = ρuDH/µ ≈ 6800 ; u ≈ 1,4 ms−1). (B) Procédure expérimentale montrant, au fil du temps, t. Séquence d'images en vue de dessous montrant l'élimination des cristallites de carbonate de calcium du revêtement PEG-DA 50 microtexturé (C) (largeur w = 2 μm, hauteur e = 2 μm, pas p = 6 μm). Sens d'écoulement de gauche à droite. (D) Séquence d’images agrandies montrant l’élimination des cristallites. Sens d'écoulement de gauche à droite. Barres d’échelle, (C) 200 μm et (D) 20 μm. Crédit: Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0324
Perspectives
De cette manière, Julian Schmid et son équipe ont incorporé les théories de l’adhésion et de la fluidique interfaciale pour développer une méthode permettant d’étudier la physique sous-jacente de l’adhésion et de l’élimination des micro-encrassements sur les matériaux techniques. Ils ont développé cette technique sur la base d'une méthode précédemment établie pour analyser les matériaux antifouling afin d'améliorer l'approche d'étude de l'antifouling.
La méthode a permis de mieux comprendre la dynamique du comportement complet du revêtement. Les résultats ont révélé les interactions entre les salissures, les substrats et l'eau pour éliminer les cristallites adhérant à la surface dans des conditions d'écoulement. L'équipe a exploré la polyvalence des matériaux antifouling et la façon dont les stratégies de conception variaient en fonction du mécanisme d'encrassement dominant.
Par exemple, en cas d'encrassement particulaire, les surfaces de revêtement rigides ont donné de bons résultats, tandis que les revêtements souples ont surpassé en cas d'encrassement par cristallisation. Les hydrogels, quant à eux, avaient une faible teneur en polymère et présentaient donc d’excellentes performances d’élimination des microencrassements et des cristallites. Pour les hydrogels non poreux et hydrophiles, la teneur en polymère a dû être augmentée, ce que Schmid et son équipe ont atténué en microtexturant la surface.
Les scientifiques des matériaux ont réalisé des surfaces intrinsèquement scalaires et des hydrogels mous microtexturés pour éliminer les régions prédominantes de cristallites. Les résultats fournissent des détails significatifs pour la conception de surfaces antifouling et scalaires pour la recherche sur l'adhésion et le transport interfacial dans des conditions de transfert de chaleur et d'écoulement.
Plus d'information:
Julian Schmid et al, Imarting scalephobicity with rational microtexturing of soft materials, Avancées scientifiques (2023). DOI : 10.1126/sciadv.adj0324
© 2024 Réseau Science X
Citation: Microtexturation de matériaux souples pour éliminer les microencrassements aqueux (5 janvier 2024) récupéré le 6 janvier 2024 sur
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