Effet lotus - Lotus effect

Eau à la surface d'une feuille de lotus.
Gouttelettes d'eau sur feuille de taro avec effet lotus (en haut) et surface de la feuille de taro agrandie (0–1 correspond à un millimètre d' envergure) montrant un certain nombre de petites protubérances (en bas).
Infographie d'une surface de feuille de lotus.
Une goutte d'eau sur une surface de lotus montrant des angles de contact d'environ 147°.

L' effet lotus fait référence aux propriétés autonettoyantes résultant de l' ultrahydrophobie des feuilles de Nelumbo , la fleur de lotus. Les particules de saleté sont captées par les gouttelettes d'eau en raison de l'architecture microscopique et nanoscopique de la surface, ce qui minimise l'adhérence des gouttelettes à cette surface. L'ultrahydrophobie et les propriétés autonettoyantes se retrouvent également dans d'autres plantes, comme le Tropaeolum (capucine), l' Opuntia (figue de barbarie), l' Alchémille , le jonc, mais aussi sur les ailes de certains insectes.

Le phénomène d'ultrahydrophobie a été étudié pour la première fois par Dettre et Johnson en 1964 à l'aide de surfaces hydrophobes rugueuses. Leurs travaux ont permis de développer un modèle théorique basé sur des expériences avec des billes de verre enrobées de paraffine ou de télomères PTFE . La propriété autonettoyante des surfaces ultrahydrophobes micro- nanostructurées a été étudiée par Wilhelm Barthlott et Ehler en 1977, qui ont décrit pour la première fois ces propriétés autonettoyantes et ultrahydrophobes sous le nom d'« effet lotus » ; Des matériaux ultrahydrophobes perfluoroalkyle et perfluoropolyéther ont été développés par Brown en 1986 pour la manipulation de fluides chimiques et biologiques. D'autres applications biotechniques ont vu le jour depuis les années 1990.

Principe de fonctionnement

La tension superficielle élevée de l'eau fait que les gouttelettes prennent une forme presque sphérique, car une sphère a une surface minimale, et cette forme minimise donc l'énergie de surface solide-liquide. Au contact d'un liquide avec une surface, les forces d'adhérence entraînent un mouillage de la surface. Un mouillage complet ou incomplet peut se produire en fonction de la structure de la surface et de la tension du fluide de la gouttelette. La cause des propriétés autonettoyantes est la double structure hydrophobe hydrofuge de la surface. Cela permet de réduire considérablement la surface de contact et la force d'adhérence entre la surface et les gouttelettes, ce qui entraîne un processus d'auto-nettoyage. Cette double structure hiérarchique est formée d'un épiderme caractéristique (sa couche la plus externe appelée cuticule) et des cires de recouvrement. L'épiderme du lotus possède des papilles de 10 m à 20 m de hauteur et de 10 m à 15 m de largeur sur lesquelles sont imposées les cires dites épicuticulaires. Ces cires superposées sont hydrophobes et forment la deuxième couche de la double structure. Ce système se régénère. Cette propriété biochimique est responsable du fonctionnement de la déperlance de la surface.

L'hydrophobie d'une surface peut être mesurée par son angle de contact . Plus l'angle de contact est élevé, plus l'hydrophobie d'une surface est élevée. Les surfaces avec un angle de contact < 90° sont dites hydrophiles et celles avec un angle > 90° comme hydrophobes. Certaines plantes présentent des angles de contact allant jusqu'à 160° et sont dites ultrahydrophobes, ce qui signifie que seulement 2 à 3 % de la surface d'une gouttelette (de taille typique) est en contact. Les plantes à double surface structurée comme le lotus peuvent atteindre un angle de contact de 170°, la surface de contact de la goutte n'étant que de 0,6%. Tout cela conduit à un effet autonettoyant.

Les particules de saleté avec une surface de contact extrêmement réduite sont captées par les gouttelettes d'eau et sont ainsi facilement nettoyées de la surface. Si une gouttelette d'eau roule sur une surface aussi contaminée, l'adhérence entre la particule de saleté, quelle que soit sa chimie, et la gouttelette est plus élevée qu'entre la particule et la surface. Cet effet nettoyant a été démontré sur des matériaux courants tels que l'acier inoxydable lorsqu'une surface superhydrophobe est produite. Comme cet effet autonettoyant est basé sur la tension superficielle élevée de l'eau, il ne fonctionne pas avec les solvants organiques. Par conséquent, l'hydrophobie d'une surface n'est pas une protection contre les graffitis.

Cet effet est d'une grande importance pour les plantes en tant que protection contre les agents pathogènes comme la croissance des champignons ou des algues , et aussi pour les animaux comme les papillons , les libellules et autres insectes incapables de nettoyer toutes les parties de leur corps. Un autre effet positif de l'autonettoyage est la prévention de la contamination de la surface d'une plante exposée à la lumière, ce qui réduit la photosynthèse.

Application technique

Lorsqu'il a été découvert que les qualités autonettoyantes des surfaces ultrahydrophobes provenaient de propriétés physico-chimiques à l'échelle microscopique à nanoscopique plutôt que des propriétés chimiques spécifiques de la surface des feuilles, la possibilité s'est présentée d'utiliser cet effet dans des surfaces artificielles, en imitant nature d'une manière générale plutôt que spécifique.

Certains nanotechnologues ont mis au point des traitements, des revêtements, des peintures, des tuiles, des tissus et d'autres surfaces qui peuvent rester au sec et se nettoyer en reproduisant de manière technique les propriétés autonettoyantes des plantes, comme le lotus. Ceci peut généralement être réalisé en utilisant des traitements spéciaux fluorés ou silicones sur des surfaces structurées ou avec des compositions contenant des particules microscopiques.

En plus des traitements chimiques de surface, qui peuvent être éliminés au fil du temps, les métaux ont été sculptés avec des lasers à impulsions femtosecondes pour produire l'effet lotus. Les matériaux sont uniformément noirs à n'importe quel angle, ce qui, combiné aux propriétés autonettoyantes, pourrait produire des capteurs d'énergie solaire thermique à très faible entretien, tandis que la grande durabilité des métaux pourrait être utilisée pour des latrines autonettoyantes afin de réduire la transmission des maladies.

D'autres applications ont été commercialisées, telles que les verres autonettoyants installés dans les capteurs des unités de contrôle du trafic sur les autoroutes allemandes développées par un partenaire de coopération (Ferro GmbH). Les sociétés suisses HeiQ et Schoeller Textil ont développé des textiles antitaches sous les marques respectives « HeiQ Eco Dry » et « nanosphere ». En octobre 2005, des tests du Hohenstein Research Institute ont montré que les vêtements traités avec la technologie NanoSphere permettaient de laver facilement la sauce tomate, le café et le vin rouge même après quelques lavages. Une autre application possible concerne donc les auvents, bâches et voiles autonettoyants, qui sinon deviennent rapidement sales et difficiles à nettoyer.

Les revêtements superhydrophobes appliqués aux antennes micro-ondes peuvent réduire considérablement la décoloration due à la pluie et l'accumulation de glace et de neige. Les produits « faciles à nettoyer » dans les publicités sont souvent confondus avec le nom des propriétés autonettoyantes des surfaces hydrophobes ou ultrahydrophobes. Les surfaces ultrahydrophobes à motifs sont également prometteuses pour les dispositifs microfluidiques « laboratoire sur puce » et peuvent grandement améliorer la bioanalyse basée sur la surface.

Des propriétés superhydrophobes ou hydrophobes ont été utilisées dans la récolte de la rosée, ou l'acheminement de l'eau vers un bassin pour une utilisation dans l'irrigation. Le Groasis Waterboxx a un couvercle avec une structure pyramidale microscopique basée sur les propriétés ultrahydrophobes qui canalisent la condensation et l'eau de pluie dans un bassin pour les libérer dans les racines d'une plante en croissance.

Historique de la recherche

Bien que le phénomène d'autonettoyage du lotus était peut-être connu en Asie bien avant (on trouve une référence à l'effet lotus dans la Bhagavad Gita ), son mécanisme n'a été expliqué qu'au début des années 1970 après l'introduction du microscope électronique à balayage . Des études ont été réalisées avec des feuilles de Tropaeolum et de lotus ( Nelumbo ). "The Lotus Effect" est une marque déposée de STO SE & CO. KGAA (numéro d'enregistrement américain 2613850). Semblable à l'effet lotus, une étude récente a révélé des microstructures en nid d'abeille sur la feuille de taro, ce qui rend la feuille superhydrophobe. L'angle de contact mesuré sur cette feuille dans cette étude est d'environ 148 degrés.


Voir également

Les références

Liens externes