Inspirations « Nature »

Les découvertes et avancées technologiques, s’inspirent souvent de la nature bien souvent remplie de secrets.

Ainsi, des textiles auto-nettoyants ont récemment vu le jour grâce à une analyse très précise de la feuille de lotus qui est toujours « immaculée », les gouttes d’eau glissant sur la feuille et emportant avec elles toutes les impuretés qui sont venues s’y déposer…D’ailleurs le phénomène mis ainsi en œuvre dans les textiles mais aussi les peintures, les vitres, les matériaux porte le nom de cette plante : c’est l’effet « lotus ».

lotus
Source ICI

Le principe :

La forme d’une goutte de liquide n’est pas forcément une sphère comme on peut facilement se l’imaginer… elle peut soit s’étaler comme de l’eau sur du verre, ou rester sous forme de perle bien sphérique comme du mercure par exemple. La forme dépend de plusieurs facteurs : la nature du liquide (sa tension superficielle) et de la nature du solide ( l’hydrophobie liée à la texture).

Le liquide et sa tension superficielle

La tension superficielle, c’est de l’énergie d’interface entre deux milieux ou comment vont se comporter les molécules d’un corps au contact des molécules de l’autre (c’est-à-dire le surplus d’énergie à fournir par les molécules par rapport aux corps purs). Vont-elles avoir tendance à se repousser ou vont-ils tirer bénéfice de leur proximité ? c’est la configuration conduisant à une minimisation de l’énergie qui va orienter la forme de l’interface.

Exemple : une gouttelette d’huile dans l’eau…ne va pas se mélanger (les deux fluides sont dits « non miscibles ») car il n’y a aucune affinité entre la molécule d’huile et la molécule d’eau : un surplus d’énergie au contact huile/eau est à fournir. C’est la configuration d’énergie minimale qui va l’emportant en conduisant la goutte à prendre la forme ayant le minimum de points de contact avec l’eau, c’est-à-dire la plus petite interface possible : une sphère.

Autre exemple : une goutte d’eau sur du verre aura tendance à s’étaler car le verre développe une énergie moléculaire de surface qui se rapproche de celle de l’eau : il n’y a donc pas besoin de réduire la surface de contact, la goutte peut s’aplatir.

En résumé : s’il faut beaucoup d’énergie pour créer un interface, car le support « repousse » le liquide, la forme de la goutte de liquide déposé sur un solide sera une sphère (afin de minimiser la surface de contact donc l’effort à faire). Au contraire, si cela demande peu d’énergie, la goutte va s’étaler sous forme de calotte.

De cette notion de tension superficielle, vont dépendre les phénomènes de capillarité, de surfusion ainsi que tout ce qui est lié à l’efficacité d’une lessive.

La capillarité est ce qui explique l’effet bombé de l’eau dans un verre : la bonne affinité du verre par rapport au molécules d’eau (meilleure que celle eau/air) conduit à maximiser la surface de contact verre/eau en minimisant la surface de contact eau/air. C’est dans cette configuration que l’énergie au niveau des différents interfaces est minimale.
La capillarité bien visible dans un tube à essai, la surface de l’eau forme un ménisque bombé vers le bas (l’attraction est plus forte le long des parois).

Pour la surfusion : lorsqu’on abaisse la température de l’eau jusqu’à 0°C (à Pression atmosphérique), il y a tendance à l’apparition de cristaux de glace. Sauf que parfois, on assiste au phénomène de surfusion et l’eau reste liquide et ne gèle pas.
Ce retard s’explique par la tension superficielle liquide/solide : lors de la formation d’un cristal, il y a création d’une nouvelle interface solide/liquide, donc un surplus d’énergie à fournir. La solidification permet d’un côté de libérer de l’énergie mais au tout début de la cristallisation, celle-ci n’est pas suffisante par rapport à l’énergie d’interface nécessaire. On assiste généralement à un effet de retard dû à ce surplus d’énergie à fournir.

Les tensio-actifs (présents dans les lessives) : certains tissus laissent « glisser » l’eau, les gouttes d’eau ne s’étalent pas et n’arrivent pas à mouiller le tissu car l’énergie d’interface eau/tissu est trop grande. L’ajout de tensio-actifs, permet de diminuer la tensio-superficielle et de favoriser l’étalement de l’eau.

Les caractéristiques du solide

La texture et la chimie du solide (le support) sont des propriétés importantes dans la forme de l’interface que prendra une goutte de liquide. On parle de solides « imperméables » ou très « hydrophobes »  (qui n’aiment pas l’eau).

La chimie joue un rôle sur les interactions possibles des molécules des deux milieux en présence.

POur la texture, c’est sa rugosité, sa nature « microscopique de la surface » du solide qui va déterminer sa « mouillabilité ». En effet, au contact d’un solide très rugueux, de minuscules poches d’air vont être emprisonnées sous la goutte de solide : le liquide repose alors sur un support solide/air où on a montré ci-dessus que cela favorise l’hydrophobie (l’air repoussant l’eau).

Structure microscopique de la feuille de Lotus : Source ICI

L’effet Lotus

Selon (ce lien), la feuille de Lotus doit ses propriétés à une structure à deux niveaux -des rugosités de taille micrométriques et un tapis de poils nanométriques- ainsi qu’à une composition chimique de la surface proche de la cire. La goutte d’eau est repoussée par la cire, et s’appuie sur des petites bosses emprisonnant des poches d’air. Ainsi, la feuille de Lotus n’est jamais mouillée, mais l’eau y glisse en emportant toutes sortes d’impuretés : c’est l’effet auto-nettoyant.

La nature « hydrophyle » / « hydrophobe » d’un contact solide/eau est une notion extrêmement importante dans le milieu industriel (recherche de matériaux non adhésifs pour l’eau) mais également pour l’environnement. Par exemple dans le domaine de l’agriculture, une goutte d’eau a naturellement tendance à rebondir sur les feuilles des végétaux : la possibilité de modifier la « relation » eau/support pour la dispersion d’aérosols de pesticides sur les cultures est primordiale, une quantité impressionante étant gaspillée… et dispersée dans l’environnement.
Alors que faire ? L’idée est d’ajouter au liquide un polymère (qu’on choisit soluble): une longue chaîne carbonée qui lorsque la goutte arrive au sol se déploie au sein de la goutte. Ce déploiement permet d’absorber une partie l’énergie cinétique de la goutte, qui n’en a plus assez pour rebondir.

En imitant le lotus, les chercheurs ont pu créer peintures, vitrages, textiles, bétons hydrofugés, crèmes solaires. Pour ce faire, les matériaux qu’on veut rendre hydrophobe doivent subir un traitement de surface favorisant l’emprisonnement d’air.

POur en savoir plus :
http://www.boussey-control.com/tension-superficielle-tension-surface.htm

http://forums.futura-sciences.com/physique/36868-capillarite.html

http://www.cnrs.fr/publications/imagesdelaphysique/couv-PDF/IdP2005/37Quere.pdf

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/leffet-des-feuilles-de-lotus-pour-des-surfaces-autonettoyantes_8334/

http://fr.wikipedia.org/wiki/Effet_lotus

http://www2.cnrs.fr/presse/thema/376.htm

http://www.linternaute.com/science/technologie/dossiers/07/biomimetique/6.shtml

http://exposeh2o.chez.com/eau_indeformable.htm

http://www.espci.fr/esp/CONF/2003/C03_02/conf2_2003.htm

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