Avez-vous déjà remarqué que lors de l’ouverture d’un pot de yaourt, le yaourt colle parfois à l’opercule et parfois non ? Comment expliquer ce phénomène ?
La réponse réside dans le niveau d’hydrophobie de l’opercule : le yaourt va coller sur un opercule faiblement hydrophobe, mais ne va pas coller sur un opercule fortement hydrophobe.
À gauche : le yaourt ne colle pas (hydrophobie élevée). À droite : le yaourt colle (hydrophobie faible).
Le caractère hydrophobe n’est que l’une des nombreuses propriétés que l’on ajoute pour traiter la surface des films utilisés dans les emballages alimentaires afin qu’ils aient certaines fonctions particulières. Diverses fonctions sont attendues des emballages alimentaires, notamment :
- Préserver la fraîcheur et la qualité des aliments
- Faciliter la manipulation par les consommateurs (pour ouvrir l’emballage, par exemple)
- Créer une surface résistante aux contaminants
On observe une augmentation de la demande pour certaines fonctions de l’emballage alimentaire, comme réduire le gâchis de nourriture en réduisant l’adhérence à l’emballage. La technologie des emballages évolue en conséquence. La qualité des différents traitements ajoutés à la surface du film doit être vérifiée, contrôle qui se fait en mesurant la rugosité de la surface.
Le contrôle de rugosité de surface, souvent réalisé à l’aide d’un microscope confocal à balayage laser 3D, mesure la rugosité des fines irrégularités présentes sur la surface du film et la quantifie numériquement. Au cours de ma dernière expérience, j’ai utilisé le microscope confocal à balayage laser 3D LEXT™ OLS5100 pour étudier la relation entre le caractère hydrophobe et la rugosité de surface au moyen de deux opercules de pots de yaourt différents.
Continuez la lecture pour découvrir les résultats !
Contrôle de l’état visuel de la surface des opercules de yaourt
Tout d’abord, j’ai examiné l’état visuel du verso des opercules en 3D à l’aide du microscope confocal à balayage laser OLS5100.
Les opercules sont composés de plusieurs couches de film, dont une couche d’aluminium aux fortes propriétés réfléchissantes. Pour capter correctement la forme de la surface la plus externe du film, il est important d’acquérir des données qui ne sont pas affectées par la forte réflectivité de la couche interne en aluminium. L’utilisation d’un objectif à fort grossissement avec une faible profondeur de champ réduit l’effet de la forte réflexion de la couche inférieure et permet l’acquisition de données provenant exclusivement de la surface la plus externe du film.
Le microscope OLS5100 est adapté à une longueur d’onde laser de 405 nm et utilise un objectif LEXT spécifique qui supprime les aberrations. Avec cette configuration, des données précises peuvent être acquises sur l’ensemble du champ d’observation.
Objectifs LEXT spécifiques, de gauche à droite : objectifs à faible grossissement 10X,
objectifs haute performance 20X, 50X et 100X et objectifs à longue distance focale 20X, 50X et 100X.
L’acquisition de données 3D permet de comprendre visuellement que l’opercule de yaourt hydrophobe présente des agrégats convexes sphériques de différentes tailles dispersés de façon aléatoire sur la surface de base. En revanche, l’opercule à faible pouvoir hydrophobe ne présente pas de forme convexe évidente.
Données visuelles 3D de deux opercules de yaourt obtenues avec le microscope confocal à balayage laser OLS5100. À gauche : opercule de yaourt fortement hydrophobe (objectif 50X, environ 250 µm). À droite : opercule de yaourt faiblement hydrophobe (objectif 50X, environ 250 µm) .
Pour comprendre l’état de la surface d’un échantillon fortement hydrophobe, pensez aux surfaces de feuilles de lotus et de brocolis. Vous avez sûrement déjà remarqué que ces surfaces repoussent l’eau et que des gouttelettes d’eau se forment et glissent dessus. Ces surfaces ont une forme inégale très fine appelée structure fractale. C’est grâce à cette forme que l’eau est repoussée. Une structure fractale est une forme caractérisée par des formes similaires qui se répètent à différentes échelles.
Hydrophobie d’une feuille de lotus (à gauche) et d’un brocoli (à droite)
Inspirée par les formes naturelles, cette structure fractale est également appliquée aux opercules de yaourt fortement hydrophobes. Dans l’exemple ci-dessus, les données présentées ont été obtenues sur un seul champ d’observation (environ 250 µm) avec un objectif 50X.
Acquisition des données de rugosité de surface avec un champ d’observation plus large
Ensuite, j’ai fait l’acquisition de données d’une zone plus large pour observer le type de distribution de cette forme convexe caractéristique présente au verso de l’opercule de yaourt fortement hydrophobe.
Un objectif à fort grossissement est efficace pour l’acquisition de données uniquement sur la surface la plus externe du verso de l’opercule. Cependant, la plage d’un seul champ d’observation est trop étroite pour acquérir toutes les données.
La fonction d’assemblage du microscope OLS5100 permet d’assembler des images individuelles obtenues à l’aide d’un objectif à fort grossissement pour créer une image haute résolution sur un champ d’observation plus large.
. À gauche : images 2D individuelles avant assemblage. À droite : image 2D après assemblage .
Vous pouvez voir ci-dessous que l’apparence des agrégats convexes répartis de façon aléatoire dans un seul champ d’observation (à droite) présente une répartition similaire même lorsque le champ d’observation est élargi (à gauche). Les agrégats convexes ont une structure fractale.
À gauche : images assemblées 3 × 3 (objectif 50X, environ 700 µm). À droite : un seul champ d’observation (objectif 50X, environ 250 µm).
Quantification de l’état de surface des opercules de pot de yaourt
Les images ci-dessus montrent que :
- Les états de surface des films hautement hydrophobes et des films faiblement hydrophobes diffèrent considérablement.
- Des agrégats convexes sont présents dans les films fortement hydrophobes.
- Les agrégats convexes ont une structure fractale dans laquelle on retrouve des agrégats convexes similaires disséminés même lorsque les images sont assemblées et observées dans un champ d’observartion large.
Sur la base de ces résultats, j’ai quantifié l’état de surface de ces deux opercules en mesurant leur rugosité de surface au microscope confocal à balayage laser 3D OLS5100.
Généralement, on utilise pour évaluer la rugosité un testeur de rugosité de surface de type stylet, qui acquiert des données sur une ligne. Toutefois, pour les formes présentant des irrégularités disséminées localement, comme sur des surfaces hautement hydrophobes, la valeur de rugosité varie considérablement en fonction de la ligne reproduite par le stylet. De plus, le contact avec le stylet peut endommager l’échantillon, ce qui présente un risque pendant la mesure.
En revanche, un microscope confocal à balayage laser 3D peut fournir des données de surface sans contact. Pour ce faire, il effectue un balayage avec le faisceau laser. Ce processus permet d’obtenir plus d’informations sur la forme de la surface que les données sur une seule ligne obtenues avec un stylet.
À gauche : le stylet peut endommager la surface de l’échantillon.
À droite : la mesure sans contact à l’aide d’un microscope confocal à balayage laser 3D n’endommage pas l’échantillon.
À gauche : les données d’un testeur de rugosité de surface de type stylet fournissent des informations à partir d’une seule ligne.
À droite : le microscope confocal à balayage laser 3D OLS5100 acquiert des informations à partir d’un plan entier.
Les données acquises dans le grand champ d’observation (environ 700 µm) ont été utilisées pour mesurer la rugosité de surface.
Pour obtenir des données adaptées à la rugosité de surface, il est important d’analyser l’échantillon avec un champ d’observation contenant au moins 10 composants caractéristiques de forme inégale les plus susceptibles d’affecter la fonction de la surface de l’échantillon.
Voyons ce que cela signifie pour l’échantillon fortement hydrophobe ci-dessus. En partant du principe que chaque agrégat convexe observé dans le champ d’observation unique (objectif 50X, environ 250 µm) est un composant de forme caractéristique qui fournit une fonction hydrofuge, il nous faut au moins 10 agrégats convexes observés dans un champ d’observation plus large. Pour visualiser plus de 10 agrégats convexes, j’ai utilisé des données de champ large avec des images 3 × 3 assemblées pour évaluer la rugosité de surface.
Mesure de rugosité de surface – Résultats pour deux opercules de pot de yaourt
Avec l’objectif 50X, le microscope laser 3D a obtenu les résultats suivants pour la surface intérieure des deux opercules :
| Coloré | Sp [µm] | Sv [µm] | Sz [µm] | Sa [µm] | Sdq | Sdr [%] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Hydrophobie élevée - 50×z1_3×3 | 28,419 | 9,597 | 38,016 | 4,297 | 2,082 | 31,562 |
| Hydrophobie faible - 50×z1_3×3 | 2,044 | 7,434 | 9,478 | 0,471 | 0,127 | 0,561 |
Les paramètres pris en compte sont Sp, Sz, Sa, Sdq et Sdr. Voici une brève explication de ces paramètres :
Sz (hauteur maximale) et Sp (hauteur de montagne maximale)
Si on regarde la valeur Sz, on peut voir la taille de l’irrégularité à partir de la surface moyenne. Sz est la somme de la hauteur de la plus haute montagne (Sp) et de la hauteur de la vallée la plus profonde (Sv). Notre point d’intérêt est lorsque la différence entre Sp et Sv est grande uniquement pour Sp. Dans cet exemple, les données montrent que l’opercule fortement hydrofuge possède de nombreuses formes convexes par rapport à la surface moyenne.
Sa (hauteur moyenne arithmétique)
Sa indique la valeur moyenne de la différence de hauteur par rapport à la surface moyenne. L’opercule hautement hydrophobe avec une grande valeur Sa présente une irrégularité plus grande.
Sdq (gradient de la moyenne quadratique)
Sdq indique la taille moyenne du gradient local des irrégularités de surface. L’opercule fortement hydrophobe avec une grande valeur Sdq présente des irrégularités plus importantes, ce qui réduit le brillant de la surface.
Sdr (rapport de surface d’interface étendue)
La valeur Sdr représente le taux d’augmentation de la superficie. Plus l’hydrophobie est élevée, plus les ondulations sont grandes et plus la superficie est grande.
Comprendre l’hydrophobie des opercules à l’aide des données de rugosité de surface
Le fait de former la surface de l’opercule hydrophobe en une structure fractale réduit la surface de contact entre le yaourt et l’opercule. Cette forme de surface entraîne la formation de gouttelettes de yaourt qui ne collent pas au film. Cette réduction de la surface de contact signifie que la superficie du film est grande et inégale. En revanche, l’opercule à faible pouvoir hydrophobe possède une petite superficie régulière, ce qui crée une grande surface de contact. Nous pouvons conclure que le yaourt colle à cet opercule parce que l’adhérence augmente proportionnellement à la surface de contact.
Voici la relation entre le degré d’hydrophobie et les données de rugosité de surface :
 |  |
| Opercule de pot de yaourt fortement hydrophobe | Opercule de pot de yaourt faiblement hydrophobe |
| Surface de contact avec le yaourt : | Petite | Grande |
| Irrégularité (Sp / Sz / Sa) : | Grande | Petite |
| Pente locale d’irrégularité (Sdq) : | Grande | Petite |
| Superficie (Sdr) : | Grande | Petite |
Contenu connexe
Électricité statique et rugosité de surface des films : une expérience
Brochure : Microscope laser 3D LEXT OLS5100
Mesure de la rugosité de surface : conseils pratiques pour débuter
