Axe 1 : HIERARCHICAL SURFACES

L’Axe 1 "HIERCHICAL SURFACES" traite de la structuration de surfaces avec un intérêt particulier sur les aspects multi-échelle. On entend par structuration de surfaces la modification de la topographie à différentes échelles contrôlées ainsi que la modification des propriétés physiques et chimiques.

Cet objectif est abordé en considérant quatre grandes étapes dans le processus de génération de surfaces hiérarchisées :

1. Choix, définition, caractérisation de la surface initiale
2. Compréhension des mécanismes de structuration, induits soit par voie optique (laser) soit par voie mécanique (indentation, rayage, procédés de fabrication)
3. Elaboration de surfaces structurées multi-échelle
4. Détermination des fonctions potentielles de la surface structurée - Applications

Figure 1 : Schéma de principe des objectifs de l’axe 1

Les quatre étapes clés définies pour cet axe sont les suivantes :

La première étape avant la fonctionnalisation par traitement laser ou mécanique est de déterminer le plus précisément possible les caractéristiques de la surface initiale. Ces caractéristiques peuvent en effet jouer un rôle essentiel dans la réponse du matériau à la sollicitation mécanique et/ou photonique.
Les conditions initiales de la surface, notamment en termes de topographie, peuvent avoir un effet sur la texturation finale obtenue.

Le récent regain d'intérêt pour les surfaces nanostructurées s'explique en partie par l'étude des effets remarquables appelés « Laser Induced Periodic Surface Structure » (LIPSS). Ces structures présentent la particularité d'un arrangement périodique à des échelles microniques ou sub-microniques [Fig. 2] et sont également connues sous le nom de « ripples », de par leur forme de vaguelettes.
De nombreuses fonctionnalités de surfaces sont ouvertes grâce à la texturation périodique de telles surfaces.


Figure 2 : Elaboration de surfaces nanostructurées (LIPSS) par irradiation laser femtoseconde pour la fonctionnalisation de surfaces.

Un des objectifs de l'axe 1 est de comprendre les mécanismes physiques mis en jeu dans la formation des ripples. A la suite de l'excitation photonique localisée, la région immédiatement sous la surface subit une transformation de phase transitoire à l'échelle nanométrique. En approfondissant la compréhension des mécanismes à l'origine de cette auto-organisation de matière, il sera possible de contrôler de façon plus précise la morphologie des ripples. Pour cela, notre approche est basée sur la mise en place d'outils fondamentaux de l'interaction laser-matière.

L'irradiation laser femtoseconde permet de structurer des surfaces à plusieurs échelles de rugosité. La figure 3 donne deux exemples de surfaces d'acier inoxydable texturées par laser femtoseconde. La figure de gauche présente une seule échelle de rugosité caractérisée par l'existence d'un seul type de ripples sub-micrométrique. La figure de droite présente le même type d'impact, pour une énergie plus importante. Sur ce second exemple, deux échelles de ripples sont imbriquées.

En contrôlant les conditions d'irradiation laser, il est alors possible de générer des surfaces multi-échelle à topographie contrôlée.

Figure 3 : Texturation laser femtoseconde multi-échelle sur acier inoxydable

Les applications ouvertes par la réalisation de surfaces multi-échelles sont nombreuses. Elles concernent notamment les propriétés de mouillabilité, elles-mêmes directement reliées aux propriétés d'adhésion et de tribologie. La figure 4 représente le comportement au mouillage d’une surface d’alliage de titane texturée par laser femtoseconde. Les deux surfaces, après irradiation laser, ont été revêtues d'un mince film hydrophobe. On constate, avec ces deux observations, que la topographie joue un rôle essentiel dans la réponse en mouillabilité d'une surface.

Figure 4 : Anisotropie d’étalement de gouttes d’eau sur une surface de polymère texturé