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Aug 29, 2023

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 24653 (2016) Citer cet article

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La réduction de la traînée est devenue un problème sérieux ces dernières années en termes d'économie d'énergie et de protection de l'environnement. Parmi les diverses approches de réduction de la traînée, les surfaces superhydrophobes ont été principalement étudiées en raison de leur efficacité élevée en matière de réduction de la traînée. Cependant, en raison de la durée de vie limitée du plastron (c'est-à-dire des poches d'air) sur les surfaces superhydrophobes sous l'eau, l'instabilité des surfaces mouillées a été un point de friction pour les applications pratiques. Ce travail présente une percée dans l’amélioration de la stabilité sous-marine des surfaces superhydrophobes en optimisant les structures de surface à l’échelle nanométrique à l’aide de structures imbriquées SiC/Si. Ces structures ont une stabilité inégalée de superhydrophobie sous-marine et améliorent les capacités de réduction de la traînée, avec une durée de vie du plastron supérieure à 18 jours et un taux de réduction de vitesse maximal de 56 %. De plus, grâce à la division photoélectrochimique de l'eau sur une surface de nanostructure hiérarchique SiC/Si, le problème de durée de vie limitée des poches d'air a été surmonté en remplissant la couche de gaz qui s'échappait, ce qui fournit également des effets continus de réduction de la traînée.

Les surfaces déshumidifiées ont attiré beaucoup d'attention en raison de leur large gamme d'applications potentielles, telles que les surfaces antisalissures1,2,3,4,5,6,7, les dispositifs étanches8,9,10, les microcanaux11,12, les givrage13,14,15,16,17, séparation huile/eau18,19,20, réduction de la traînée21,22,23 et autres domaines liés non mouillants24,25,26,27,28,29,30,31,32. Parmi les domaines d'application des surfaces déshumidifiées, la réduction de la traînée est l'un des problèmes les plus importants en matière d'économie d'énergie et de protection de l'environnement, qui sont devenus des préoccupations mondiales au cours des dernières décennies. En particulier dans le domaine des navires et des canaux de fluides, la réduction de la traînée peut réduire considérablement la consommation d'énergie et de ressources33,34. Diverses structures et morphologies de surface ont été étudiées pour induire des effets de réduction de la traînée, notamment des revêtements conformes35,36, des revêtements polymères37,38,39, des tensioactifs40,41,42, des microbulles43,44 et des revêtements superhydrophobes23,45. Parmi les différentes stratégies de réduction de la traînée, les surfaces superhydrophobes, qui sont des surfaces mouillées qui imitent les feuilles de lotus, ont montré une efficacité dominante en matière de réduction de la traînée. Cependant, la superhydrophobicité sous-marine instable a empêché leur utilisation dans des applications pratiques46,47,48.

Dans les surfaces superhydrophobes, il est connu que la présence d’une couche intermédiaire d’air (ou de gaz) sur la surface immergée provoque un comportement non mouillant et, par conséquent, la stabilité de la superhydrophobie sous-marine est déterminée par la durée de vie de la couche intermédiaire d’air49. Cependant, l’intercalaire d’air (plastron) est très instable avec une durée de vie limitée en raison de la diffusion des gaz de l’air dans l’eau50. Selon des recherches antérieures, les taux de diffusion des gaz sont principalement déterminés par les caractéristiques de la surface (morphologie de la surface et énergie de surface) et la pression hydrostatique51,52. Il a été rapporté que diverses structures de surface, telles que les structures mésoporeuses, les réseaux de nanofils et les structures micro/nano hiérarchiques, améliorent la durée de vie de la couche intermédiaire d'air53,54. Cependant, malgré ces diverses études, ils n’ont pas pu surmonter l’impermanence de l’intercalaire d’air.

Dans cette étude, nous avons développé de nouvelles structures hiérarchiques imbriquées SiC/Si en utilisant une méthode de synthèse basée sur la réduction carbothermique55. Par rapport aux structures précédemment rapportées, notre surface a considérablement amélioré la durée de vie de la couche intermédiaire d’air et a montré la plus grande stabilité de superhydrophobie sous-marine en raison de sa structure de réseau unique. Selon nos mesures de réduction de traînée, notre surface hiérarchique SiC/Si superhydrophobe a montré un effet de réduction de traînée de 56 % par rapport à une surface plane en Si. À l’inverse, la surface SiC/Si superhydrophile présentait une propriété d’amélioration de la traînée.