Au regard des lasers classiques, les lasers à impulsions ultra-courtes sont une technologie prometteuse pour la création de matériaux microstructurés innovants aux propriétés personnalisées. Les enjeux et les développements en cours par Olivier Malek et Pieter Samyn, chercheurs au centre R&D belge du département systèmes et technologies de Sirris.
En variant la forme, la taille, la densité et l’orientation des structures, il est possible de créer différentes fonctionnalités. La démarche est de s’inspirer de l’effet lotus pour une faible adhérence des gouttelettes d’eau ou celui des pétales de rose pour une forte adhérence de ces gouttelettes d’eau, la mouillabilité d’une surface d’un matériau peut être contrôlée. Pour l’effet bactérien, en dotant la structure de pointes acérées ou de piques imitant la structure de l’aile d’une libellule, la surface peut tuer ou repousser les bactéries. En effet, les pointes ou les piques transpercent ou endommagent la membrane cellulaire des bactéries, qui meurent ou se détachent. Cela peut être utile, par exemple, pour prévenir les infections, favoriser la guérison ou prolonger la durée de conservation. Au regard des lasers classiques, les lasers à impulsions ultra-courtes sont une technologie prometteuse pour la création de matériaux microstructurés innovants aux propriétés personnalisées. Parmi les avantages cités par les experts, sa durabilité. La fonctionnalité est directement intégrée dans le matériau sans produits chimiques ni application d’une couche supplémentaire susceptible de s’écailler ou de s’user tout en préservant sa résistance. Selon les besoins, les lasers ultrabrefs permettent de combiner plusieurs fonctionnalités sur une même surface, ou encore d’appliquer un traitement différent à diverses zones de la surface.
Une micro texturation sans impact thermique
En quelques années, la puissance des lasers et la vitesse de traitement ont considérablement augmenté pour traiter (usiner, graver, fonctionnaliser) les métaux, céramiques et composites. Le contexte est différent pour les celluloses largement utilisés dans l’emballage alimentaire. Olivier Malek, ingénieur au centre R&D belge du département systèmes et technologies de Sirris, décrypte : « le traitement laser de la forme micro ou nanométrique des celluloses pour modifier les surfaces par le procédé femtoseconde, est relativement récent afin de maîtriser par exemple la barrière à l’humidité ». Pieter Samyn, expert en matériaux et revêtements biosourcés chez Sirris, ajoute : « Améliorer la fonctionnalité des matériaux biosourcés souples sans recourir à des traitements chimiques agressifs représente un réel avantage ; cependant, cela représente un défi et nécessite une expertise approfondie pour optimiser les conditions de traitement». L’équipe de Sirris, dont le cœur d’activité de recherche est la fonctionnalisation de surfaces, a relevé de multiples défis. D’une part, au niveau du matériau, comment atteindre ou ablater une surface organique avec une rugosité intrinsèque élevée. Et d’autre part, comment créer des motifs de quelques microns, une micro texturation, sans impact thermique ni oxydation de la cellulose par le procédé par laser à impulsions très courtes, de quelques femtoseconde (10-15 secondes).
Circularité et revêtements
De nombreux travaux sont réalisés chez Sirris en termes de caractérisations de surfaces ou de mise au point des paramètres du laser femtoseconde (puissance, fréquence, vitesse d’ablation, etc.). Pour une application industrielle à venir, Sirris et Alphanov, avec son savoir-faire historique dans les procédés laser pour l’ingénierie de surface, visent à développer l’application du revêtement microtexturé par rouleau à rouleau combinée avec une pulvérisation d’une dispersion des nanocelluloses. Si les celluloses sont biodégradales, Olivier Malek, cite un autre défi de taille: « la durabilité du revêtement est une valeur ajoutée pour les emballages. La circularité est une demande forte des industriels qui cherchent à substituer les revêtements chimiques ». Des études sont en cours chez Sirris pour par exemple, définir le nombre de passes (laser femtoseconde) à réaliser sur les nanofibres afin que l’emballage puisse être réutilisé avec ses propriétés d’hydrophobicité. Le partenariat se met en place avec un projet collaboratif à venir pour une mise à l’échelle du système de production du revêtement et son application, afin d’atteindre une maturité technologique de niveau 7 (phase de pré industrialisation). Des résultats prometteurs qui ouvrent la voie vers de nouvelles perspectives à l’ingénierie des bio-surfaces pour une pléthore de domaines d’application, par exemple contrôle des interactions à l’eau (mouillabilité), résistance à l’eau, résistance antibactériens, etc. (voir Figure).
Références
P. Samyn, J. Everaerts, A.M. Chandroth, P. Cosemans, O. Malek, “A feasibility study on femtosecond laser texturing of sprayed nanocellulose coatings”, Carbohydrate Polymers 340 (2024), 122307
P. Samyn, P. Cosemans, O. Malek “Femtosecond laser patterning for enhanced hydrophobicity of modified nanocellulose coatings”, Progress in Organic Coatings 202 (2025), 109154
P. Samyn, P. Cosemans, O. Malek, “Demonstration of pattern size effects on hydrophobic nanocellulose coatings with regular micron-sized island-like geometrical domains created by femtosecond laser micromachining”, Micromachines 16 (2025), 289
