Centre d’Élaboration de Matériaux et d’Etudes Structurales (UPR 8011)


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Mouillage de monocouches de graphène suspendues

Publié dans Scientific Reports

par Evelyne Prevots - publié le , mis à jour le

La forme d’une goutte de liquide dépend-elle uniquement des interactions avec les atomes de surface du substrat ou bien les atomes profonds jouent-ils aussi un rôle important ? Des chercheurs du CEMES en collaboration avec des collègues du Brookhaven National Lab (USA) ont apporté une réponse quantitative en réalisant des mesures sur un mono-feuillet de graphène déposé sur un tapis de fakir nanométrique.

Le graphène, forme allotropique 2D du carbone, d’épaisseur mono-atomique, a reçu une attention soutenue récemment en raison de ses propriétés extraordinaires qui, parmi plusieurs applications potentielles, sont très prometteuses pour révolutionner le domaine des revêtements. Cependant, l’exploitation du potentiel technologique de revêtements basés sur ce matériau nécessite une meilleure connaissance de la façon dont la monocouche atomique altère les propriétés de mouillage du substrat sous-jacent. D’un point de vue plus fondamental, ce problème soulève la question des rôles respectifs des interactions à courte et longue portée sur le mouillage d’un substrat par un liquide.

A ce jour, le sujet reste très controversé en raison de la difficulté de définir un système expérimental capable de discriminer le mouillage intrinsèque de l’influence d’adsorbats venant de l’air ambient. Dans ce papier, des monocouches de graphène ont été suspendues sur des substrats de silicium recouverts de nano-piliers. Le contrôle précis du profil des nano-piliers nous a permis de varier la fraction de graphène suspendu de 0 % à 95 % permettant ainsi de régler l’interaction liquide-substrat. De plus, notre système permet d’introduire de l’eau dans l’espace libre entre les piliers permettant ainsi d’étudier la situation inédite où une goutte d’eau est déposée sur une monocouche de graphène flottant sur de l’eau.

Les deux principaux résultats de cette étude sont les suivants :

  • Le graphène complètement suspendu donne l’angle de contact de l’eau le plus grand (85°±5) en comparaison au graphène partiellement suspendu ou supporté, indépendamment de l’hydrophobie ou hydrophilie du substrat sous-jacent.
  • En présence de substrat, nous avons pu mesurer que 80 % des interactions à longue portée entre l’eau et le substrat sont écrantées par la monocouche de graphène.

Cette étude montre que le graphène ouvre de nouvelles voies d’ingénierie de surface et permet d’étudier la relation entre interactions moléculaires et propriétés de mouillage macroscopique, un problème qui reste ouvert en science du mouillage.

Ce projet a été initié pendant le séjour d’Antonio Checco au CEMES comme chercheur invité par le Laboratoire d’Excellence NEXT n° ANR-10-LABX-0037 et a été en partie financé par le projet NEXT SUGAREE.

 

Référence

“Wettability of partially suspended graphene” T. Ondarçuhu, V. Thomas, M. Nuñez, E. Dujardin, A. Rahman, C. Black, A. Checco, Sci. Rep., 6 (2016) 24237 http://dx.doi.org/10.1038/srep24237.

 

Contact

Dr. Thierry Ondarcuhu : ondar chez cemes.fr