Surfaces à mouillabilité contrôlée pour la condensation renforcée d’eau

Description du sujet de thèse

Les surfaces à mouillabilité contrôlée permettent de favoriser ou d’éviter la
condensation d’eau lorsque l’échantillon est soumis à un flux de type brumeux. Le
ressourcement en eau est un enjeu planétaire et il convient dès aujourd’hui
d’envisager toutes les solutions possibles pour favoriser un accès à l’eau dans les régions arides. Il est connu par l’étude de certains insectes (tel le scarabée de la figure) et de plantes vivants dans des déserts, que des surfaces qui combinent différentes mouillabilités permettent d’augmenter la collection d’eau de  condensation. Ces surfaces combinent à la fois des zones superhydrophobes et des zones hydrophiles ou superhydrophiles. Des études menées en laboratoire montrent la possibilité de récolter jusqu’à 5 g d’eau par cm² par heure. Cela semble peu, mais à l’échelle d’une surface de 10 cm de côté, c’est un demi litre qui peut ainsi être récupéré en 1 heure. A l’échelle internationale, plusieurs laboratoires étudient maintenant ce type de surface, mais chaque équipe propose une technologie différente, un type de surface, et il est difficile d’en déduire des conclusions fiables sur le type et les morphologies les plus optimales pour améliorer le taux de collection.
La mouillabilité contrôlée localement peut être obtenue par fonctionnalisation de
surface localisée à l’aide d’agents hydrophobe/ hydrophile mais également à l’aide
de motifs obtenus dans un même matériau dont les dimensions et la période peut
être optimisée.
Des résultats préliminaires ont déjà été menées au laboratoire sur
le contrôle de la mouillabilité de différentes surfaces. Les technologies employées
sont basées sur l’utilisation de techniques de lithographie optique ou par
nanoimpression, potentiellement combinées à un plasma qui permet à la fois de
rendre la surface plus rugueuse mais aussi de la modifier chimiquement, par exemple par l’adsorption de fluor pour en augmenter l’hydrophobie. Ces surfaces ont aussi bien été réalisées sur substrat rigide que polymère flexible. Elles ont montré une variation significative de la mouillabilité et nous sommes capables, à partir d’un même matériau de base, de créer une surface superhydrophile ou superhydrophobe.

Objectif de la thèse

L’objectif de la thèse est de combiner sur une même surface des zones de
mouillabilité différente, et d’étudier le comportement de l’eau en terme de
condensation sous un brouillard afin d’optimiser le plus possible le rendement de
collecte. Les approches seront donc à la fois technologiques avec l’aspect applicatif
d’optimisation du taux de collecte d’eau, mais également plus fondamentales avec
l’étude du comportement dynamique des gouttes sur ce type de surface. L’intérêt
de cette thèse, par rapport à l’état de l’art, sera d’apporter des réponses quant à la
morphologie optimale du substrat pour obtenir un fort taux de collecte. Un prototype de banc de caractérisation expérimental a été monté au LTM afin de pouvoir mener à bien cette étude. Des résultats préliminaires ont montré des rendements de collecte fortement dépendant de la fonctionnalisation ou non de la surface d’un échantillon non structuré.

L’équipe Minasee du LTM et les équipements

L’atout de l’équipe Minasee du LTM est sa capacité à mettre en oeuvre diverses
technologies pour le contrôle de la mouillabilité locale d’une surface mais également
le regroupement d’expertises dans le domaine des différents matériaux susceptibles
d’être mis en concurrence pour répondre à la question ci-dessus : polymère flexibles
pour le contrôle de rugosité, résines nanocomposites de lithographie pour la localisation de la mouillabilité, copolymères à blocs pour l’auto-organisation à forte
résolution de cette mouillabilité contrôlée … Aucune équipe à l’heure actuelle n’a
des moyens/compétences aussi variés à mettre en commun.

Le doctorant aura accès à l’ensemble des plateformes technologiques du LTM et des
plateformes voisines auxquelles le laboratoire a accès, en particulier celle du LETI.
Il sera intégré au pôle MINASEE, sera encadré et accompagné par les différents
chercheurs du pôle. La diversité des matériaux et technologies envisagées lui
permettront d’avoir de nombreux contacts avec l’ensemble des doctorants/post
doctorants du LTM.

Encadrement

Directeur de thèse Cécile Gourgon
Co-encadrant: Jean Hervé Tortai

Laboratoire d’accueil

Laboratoire des Technologies de la Microélectronique (LTM)
Equipe: MIcro/NAno technologies pour la santé, l’Energie et l’Environnement (MINASEE)

Localisation

LTM 17 R. des Martyrs – 38054 Grenoble Cedex – sur site CEA Minatec

Candidature

Envoyer CV et lettre de motivation à Cécile Gourgon
cecile.gourgon@cea.fr et Jean Hervé Tortai jean-herve.tortai@cea.fr

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