Overblog Suivre ce blog
Administration Créer mon blog
7 janvier 2012 6 07 /01 /janvier /2012 14:23

On parle de l'effet lotus, si la feuille d'une plante est superhydrophobe (-> qui n'aime pas du tout l'eau). C'est-à-dire que toute eau qui tombe sur une telle feuille perle tout de suite de la surface.


Par manque de vocabulaire pour décrire correctement cet effet, voici une vidéo assez impressionnante (en attente de réaliser notre propre vidéo, c'est une vidéo de l'utilisateur PhoenixHannover de YouTube):

Cette vidéo montre  l'effet sur une feuille de capucine. 

 

L'effet lotus (ayant été découvert en 1976 par le biologiste allemand Wilhelm Barthlott) est observable non seulement sur les feuilles de lotus, mais aussi sur des feuilles de capucine, de chou cabus, de salvinia (fougère aquatique), de ginkgo biloba, de chou-rave...

 

 

-> Comment l'effet lotus fonctionne-t-il?

 

Une surface superhydrophobique, telle qu'elle se trouve sur la feuille de lotus, est caractérisée par un angle de contact (donné par la loi de Young-Dupré) entre la surface et l'eau égal (ou supérieur) à 150°. C'est-à-dire que seul 2 à 5 % de la surface d'une goutte d'eau sont en contact avec la surface. Autrement dit, celle-ci permet d'avoir un mouillage de la surface extrêmement faible.

angledecontact

Schéma de l'angle de contact (d'après le schéma d'origine de l'utilisateur Cepheiden sur de.wikipedia)

 

 

Voici un autre schéma (tiré de wikimedia commons, créé par l'utilisateur MesserWoland) servant à montrer la forme d'une goutte d'eau selon l'angle de contact qu'il y a entre la goutte d'eau et la surface:

superhydrophobphil

 

 A: forme d'une goutte sur une surface superhydrophobe (angle de contact ≥ 150°)

 B: forme d'une goutte sur une surface hydrophobe (angle de contact ≥ 90°)

 C: forme d'une goutte sur une surface hydrophile (angle de contact ≤ 90°)

 

 

On remarque qu'une goutte d'eau est presque ronde sur une surface superhydrophobique.

C'est cette caractéristique au niveau de la forme qui permet à l'eau de "glisser" aussi facilement sur une feuille superhydrophobe.

 

Voyons maintenant pourquoi une feuille de lotus est superhydrophobe.

Wilhelm Barthlott observa la surface superhydrophobique des feuilles de lotus au microscope électronique à balayage (SEM). 


Voici ce qu'il y vit:

mikroskop

(Photo issue de "Superhydrophobic and superhydrophilic plant surfaces: an inspiration for biomimetic materials" (Phil. Trans. R. Soc. A 2009 367, 1487-1509, doi: 10.1098/rsta.2009.0022) de Kerstin Koch et Wilhelm Barthlott) GX 1000

Une structure microscopique vallonnée, formée de petites "collines" de quelques micromètres de haut.

Ces petites "collines" ont elles-même une structure nanoscopique rugueuse: Chacune d'entre elles est recouverte de petites "bosses".

20000

photo de ROSSMANN, Dr. T, "Der Lotus Effekt"; G X 20 000

 

Ces "bosses" sont des cristaux de cire (matériau hydrophobe).


Voici un schéma résumant cette double structure:

tpe1

Schéma de S. G. Bodde, tiré de "Biological materials: A materials science approach"  

Schéma de la structure de surface d'une feuille de lotus à deux échelles. 


Cette double structure irrégulière mène à un angle de contact supérieur à 150°, donc à une superhydrophobie, qui caractérise l'effet lotus.

 

 

Avantages pour la plante


 

L'effet lotus permet aux feuilles de rester propres! 

sauber!

Schéma tiré de "Purity of the sacred lotusor escape from contamination in biological surfaces", 1996, W. Barthlott, C. Neinhuis

1. Surface lisse, les particules (ou "saletés") ne sont pas emportées, mais plutôt répandues sur la surface

2. Surface rugueuse, les particules sont emportées par la goutte d'eau, car la force d'attraction entre celles-ci et la surface est inférieure à la force d'attraction entre celles-ci et la goutte d'eau

 

Voici donc l'utilité de l'effet lotus: il rend une surface auto-nettoyante (il ne faut que de l'eau, sous forme de pluie par exemple pour garantir la propreté de la surface)!

 

A l'échelle microscopique une surface lisse n'est donc pas plus facilement nettoyable qu'une surface rugueuse.

Etant donné que jusqu'à nos jours, jamais une plante ne discuta avec l'Homme des raisons de son évolution, on ne peut qu'émettre des hypothèses, pourquoi certaines plantes font utilisation de l'effet lotus (et d'autres pas):

- La photosynthèse pourrait être restreinte par tout dépôt de saleté sur la feuille, l'effet lotus y remédie. 

- Les bactéries et autres agents pathogènes ne restent pas accrochés aussi facilement à la feuille quand il pleut, ils sont emportés par les gouttes d'eau (voir schéma précédent).

 

Remarque: Le lotus sacré est connu pour sa pureté (-> propreté) depuis plus de 2000 ans en Asie. "Dans le symbolisme bouddhique, le lotus représente la pureté du

corps, de la parole et de l'esprit" (wikipedia.fr)

 

 

   Intérêt pour l'Homme et applications techniques  

 

 

Une surface auto-nettoyante! Un rêve! 

Ne plus devoir nettoyer les sanitaires, les fenêtres, les faςades, les voitures, les toits,...

Bien que mieux adapté à l'extérieur (il faut de l'eau (->la pluie), pour que l'effet lotus "fonctionne"), les industriels ne sont pas laissés impressionnés et ont créé une multitude de produit, dont la publicité promet beaucoup. (ATTENTION! Certains produits sont vantés d'utiliser l'effet lotus dans la publicité, mais ne le font pas. De plus, il ne faut pas confondre une surface auto-nettoyante avec une surface easy-to-clean.)

 

Voici quelques produits utilisant l'effet lotus:

- Lotusan®, une peinture de faςade (l'effet lotus a été reproduit à l'aide de silicone)

- des tuiles, de l'entreprise Erlus

- des tissus, avec la mention "self cleaning inspired by nature" (par ex.: store)

- de la laque (pour voitures) (en raison de la forte rugosité, elle semble laiteuse)

- les vitres du système de péage automatique des camions en Allemagne sur les autoroutes (elles aussi sont laiteuses, mais cela ne dérange pas le bon fonctionnement)


Aujourd'hui les chercheurs sont surtout à la recherche de méthodes, pour reproduire efficacement, en grande quantité, et à prix bas l'effet lotus, afin d'en équiper encore plus de produits.

 

-> la limite de l'effet lotus/de la superhydrophobie

En 2005, Yang-Tse Cheng et Daniel Rodak ont découvert qu'il est possible de déjouer la superhydrophobie des feuilles de lotus en recouvrant la surface de celles-ci avec de la vapeur d'eau. Il y a eu un fort mouillage de la surface!

 


 

 


Repost 0
30 décembre 2011 5 30 /12 /décembre /2011 23:55

Le « gecko » est un terme général pour désigner des reptiles  de la famille des « Gekkonidae ». Sous le terme de gecko est désigné un regroupement d’environ 830 espèces de lézards …

Certaines espèces de gecko (beaucoup, mais pas toutes) ont une particularité étonnante : ils peuvent se déplacer sur un plan vertical en toutes les directions; Aristote observait déjà au 4ème siècle avant Jésus-Christ la capacité des geckos à se déplacer le long d’un tronc d’arbre dans toutes les directions, même la tête en bas !

La force adhésive qui leur permet de marcher sur les murs et les plafonds est tellement forte, qu'un gecko adulte pesant 100 grammes peut tenir au mur avec un seul doigt sans déraper ! Cette capacité étonnante a préoccupé grand nombres de chercheurs depuis plus d'un siècle, bien que beaucoup aient abandonné à forces d'échecs... En effet, c'est depuis une dizaine d'années seulement que des scientifiques ont réussis à déceler le système infime qu'a développé le gecko durant des siècles. Mais on n'en est pas resté à l'explication : différents groupes de chercheurs de part et d'autre de la planète se sont mis à la recherche d'un moyen d'imiter ce système d'adhésion si puissant dans les technologies récentes...

 Dans un premier temps, nous allons expliquer le système adhésif du gecko afin de pouvoir, dans une seconde partie, montrer l'expansion des technologies nouvelles suite à l'imitation de la force d'adhésion du gecko.

 

 

Une particularité du gecko: sa force adhésive

 

Le gecko possède des doigts en forme de raquette qui sont recouverts de fines lamelles (voir l'image "mesostructure" du document 1). En observant de plus près ces lamelles on y discernera de minuscules poils : les setaes (visibles  sur les images "microstructure " et "fine microstructure" du document 1). Un setae est composé de kératine, une protéine riche en soufre constitué de trois chaînes torsadées de polypéptide (assemblage d'au moins dix acides aminés) eux-mêmes enroulés en hélice. Un sétae mesure environ une dizaine de microns de diamètre; on en trouve 500 000 sur un doigt (soit 5 000 par mm²) ! La fin de chaque setae se scinde lui-même encore en une centaine de poils plus fins appelés spatulaes (cf. "nanostructure" sur le document 1). Un spatulae a une centaine de nanomètres de diamètre et se termine en structure de spatule (ce qui se voit bien sur l'image en-bas à droite du document 1) pour avoir une plus grande surface de contact avec n'importe quelle paroi sur laquelle le gecko doit adhérer.


setae02-copie-1


 

Document 1:

- macrostructure: un gecko tokay adhérant à une vitre de verre verticale

- mesostructure: une patte de gecko sur laquelle on discerne les fines lamelles aux doigts 

- microstructure: observation au microscope électronique des "poils" qui constituent les lamelles sur les doigts du gecko, les setaes

- fine microstructure et nanostructure: observation au microscope électronique d'une setae se scindant en centaines de spatulaes dont le bout est en forme de spatule  

 

Après de longues recherches, les chercheurs ont trouvé la réponse aux forces d'adhésions phénoménales du gecko dans les liaisons moléculaires, appelés "forces de van der Waals". Les spatulaes qui finissent en structure de spatule forment au contact d'une paroi des liaisons entre les molécules de la spatulae et celles de la paroi. 

 


tp11 vanderwaalskraefte modell

 

Document 2 :

schéma représentant les liaisons moléculaires appelées "liaisons Van der Waals"

(En bleu les noyaux des atomes et en jaune leurs électrons)

 

 


Ces liaisons fonctionnent d'après un principe assez simple : à travers les mouvements gravitationnels du nuage d'électrons autour du noyau il se produit par instant des inégalités entre les deux côtés de l'atome (l'un sera charger positivement δ+ et l'autre négativement δ-). Or si un côté chargé positivement du spatulae du gecko rencontre un côté chargé négativement de la surface, alors ils s'attireront par le principe de la polarité. C'est de là que vient le pouvoir adhésif puissant du gecko.

En revanche pour que ces liaisons soient possibles, la distance entre les spatulaes et la surface doit être inférieure à 1 nm, d'où la flexibilité et la finesse des spatulaes qui doivent pouvoir épouser le moindre recoin de la surface de la paroi. De même, c'est pour augmenter l'efficacité du mécanisme que le gecko possède autant de spatulaes; on a observé sur d'autres animaux fonctionnant sur le même principe d'adhésion que plus l'animal était corpulent, plus il avait besoin de setaes et plus elles étaient fines. C'est pour cela que le gecko, qui est l'animal le plus lourd utilisant ce principe d'adhésion, les setaes se redivisent en une centaine de spatulaes pour augmenter le nombre de liaisons de van der Waals. Une liaison seule n'occasionne qu'une infime force d'adhésion mais multiplié par le nombre de setaes sur chaque doigt, elles donnent des forces d'adhésions incroyables ! Un seul doigt de gecko créé une force d'adhésion de 100 N (ce qui représente le poids d'un seau remplis d'eau sur Terre) alors qu'un setae tout seul a seulement une force d'adhésion d'environ 10 nN.

 


L'utilité pour l'Homme à réutiliser ce phénomène adhésif


Cette capacité d'adhésion si puissante a beaucoup inspiré les chercheurs pour développer de nouveaux produits en utilisant le procédé du biomimétisme.

En 2002, le biologiste Kellar Autumn du Lewis & Clark College de Portland (États Unis) publie ses recherches sur le gecko et rend ainsi accessible une base de données solide sur laquelle les ingénieurs peuvent s'appuyer.

Le premier ruban adhésif sur le modèle la patte du gecko sera élaborée par une équipe de chercheurs britanniques de Manchester sous la direction du professeur Greim un an plus tard : ce ruban est constitué de poils en polymide qui fonctionnent à l'image des setaes du gecko. Le grand défaut de ce nouvel adhésif était son altération après plusieurs cycles collage-décollage car les poils de polymide se cassaient ou se couchaient rapidement, ayant comme conséquence de faire perdre le ruban de son pouvoir adhésif. Pour démontrer leurs progrès, ils collèrent une figurine de Spiderman à une paroi en verre grâce au nouveau ruban adhésif. Voici la photo originale prise dans le laboratoire de la Manchester Univerity en 2003 :


 H1000792-Spiderman toy with gecko tape -SPL

 

Après cette première découverte, c'est à Berkley (Californie) que vont être continué les recherches sur le ruban adhésif par l'équipe de Ronald Fearing. Il va remplacer les poils de polymides des chercheurs britanniques par des poils en polypropyène, plus résistants et se détériorant par conséquent beaucoup moins vite...

Jusqu'à nos jours, nous ne sommes pas parvenus à atteindre la perfection de la patte du gecko : les setaes sur les doigts du gecko se recollent à l'infini par un système auto-nettoyant au fur et à mesure qu'il se déplace alors que le ruban adhésif s'encrasse rapidement en collant au bout de ses poils les grains de poussière ce qui lui fait perdre toute sa capacité d'adhérence.

Cette nouvelle découverte du ruban adhésif fonctionnant sur le principe de la patte de gecko a, contrairement aux byssus de la moule, déjà été utilisé dans certains domaines spécifiques.

L'entreprise américaine spécialisée dans le domaine de l'aéronautique "BAE Systems" a déjà mis en pratique le ruban adhésif en l'utilisant pour réparer des structures percées au niveau des parois d'avions ou des revêtements de carburant.

De plus, SRI international (Stanford Research Instite) travail depuis quelques années à un robot capable de grimper à toutes les parois en utilisant le même mécanisme que le gecko. La vidéo ci-contre montre le modèle "Stickybot" de 2006 monter à une paroi de verre puis de granite :

 

 

 

 

 

 

Un autre projet qui reste à venir est celui du MIT (Massachussetts Institute of Technologie) qui développe un ruban adhésif utilisabledans la chirurgie pour refermer des incisions ou colmater une perforation (comme au niveau du coeur, des poumons ou de la vessie). La particularité qui lui vaudrait cette utilisation est son auto-biodégradabilité : en recouvrant les poils de polymère d'une glue à base de sucre on obtient un ruban adhésif qui est automatiquement éjecter par le corps alors que pour l'instant il faut ré-intervenir pour enlever le matériel qui sert à colmater. Le ruban adhésif chirurgical devrait pouvoir être utilisé d'ici 2 à 5 ans...

Si le ruban adhésif est, comme nous venons de le voir, déjà utilisé dans des domaines spécifiques il n'a pas encore atteint le stade d'avancement de la feuille de lotus dont les produits sont déjà largement commercialisés et accessibles au public... Mais voilà un tout autre sujet qui vous sera expliqué dans le prochain chapitre sur la feuille de lotus.

 

Repost 0
29 décembre 2011 4 29 /12 /décembre /2011 17:00

 

Le pouvoir adhésif des moules

 

Des chimistes de l'université de Californie à Santa Barbara viennent de découvrir l'origine de la force d'adhésion des moules (lat.: mytilus), qui caractérise ces mollusques bivalves. Les moules sont capables de se coller à des rochers ou des coques de bateau dans l'eau salée, particularité étonnante qui a intéressé les chercheurs en biomimétisme. 

 

 

 

 

Caractéristiques et fonctionnement du pouvoir adhésif des moules

 

 

À la base du pied de la moule se trouve la glande de byssus. Celle-ci synthétise des filaments (appellé fil de byssus). Chaque moule peut avoir de 50 à 100 de ces filaments de quelques centimètres de longueur. Ces filaments se solidifient au contact de l´eau de mer.

Avant de se fixer, la moule sort son pied d´entre les valves de la coquille et tâte le terrain. Puis la glande produit les fils de byssus, qui lui permettrons de se coller à la roche. La production de fil de byssus prend au maximum 4 jours. 


Sans titre 1

 

 

Il s'agit maintenant d'étudier la composition moléculaire permettant l'adhésion. Le fil de byssus est composé d'un cocktail d'une dizaine de proteines. Les protéines essentiels sont la mfp-3, riche en DOPA (nom bref pour 3,4-dihydroxyphénylalanin), ainsi que la mfp-6, qui elle est riche en thiols. Le problème qui se posait, était que la DOPA se dégrade rapidement au contact du dioxygène contenu dans l'eau. La conséquence est la perte d'au moins 80% de son pouvoir adhésif. Ici intervient cette seconde protéine (mfp-6), dont les thiols contenus celle-ci, agissent comme antioxydant sur la protéine mfp-3. Cette découverte a été faite par des chimistes de l'université de Californie, Etats-Unis. C'est donc la combinaison de ces deux protéines, qui est la source de la force d'adhésion des moules.

De plus, on a remarqué que l´acidité du pied de la moule augmente suite à cette réaction biochimique.

 150px-Thiol_group.svg.png

 

 200px-3,4-Dihydroxy-L-phenylalanin (Levodopa).svg

 

 

 

 


  DOPA                                                                                                                   Thiols

 

 

 

Les avantages pour l'Homme d'exploiter cette colle naturelle 

 

En s'inspirant des moules, les Hommes peuvent fabriquer de nouveaux adhésifs synthétiques, plus puissant, fonctionnant sous l'eau et ne contenant pas de produits cancérigènes. De nouveaux matériaux peuvent également être développés.

Grâce à cette découverte, on pourrait trouver des solutions écologiques pour protéger la coque d´un bateau de l'accumulation des moules. Le fait de connaitre le mécanisme d'adhésion permet de créer un solvant contre l'assemblage des moules sur la coque. 

Mais le domaine ayant le plus d'intêret à ce pouvoir adhésif exceptionnel est la médecine. D'après Prof. Robert Sader, «Si cela fonctionne, [l']on pourrait par exemple envisager de coller les valvules cardiaques au lieu de les suturer».

Il serait donc possible de renfermer des coupures sans les suturer, de coller des fractures et de fixer des tendons.

 

 

 

 

 

Les applications techniques en cours d'élaboration

 

Exploiter les fils de byssus naturels serait beaucoup trop cher et, de plus, nuisible pour la nature.

Pour fabriquer 1 Kg de colle il faudrait 10 000 moules!

En essayant de produire des molécules fonctionnelles, on s'oriente vers le clonage des gènes de moules.

Des chercheurs de l'Institut Fraunhofer parviennent déjà à reproduire en laboratoire la sécrétion issue des glandes des moules.

En s'inspirant des propriétés adhésives développées par les geckos et les moules, des physiciens américains ont cumulé ces deux phénomènes en un matériau. Ils ont appelé cette nouvelle colle « le geckel » (gecko et mussel (moule en anglais)). Mais cela n'existe qu'en laboratoire pour le moment.

Je pense que cette nouvelle colle va bientôt être utilisée couramment dans la médecine d´ici dix ans. Du moins j'espère que ce sera le cas.

Repost 0

Présentation

  • : Le biomimétisme
  • Le biomimétisme
  • : Un groupe de TPE de première S présente ses recherches et son travail sur le biomimétisme. En particulier sont traités l'effet lotus et les systèmes d'adhérence des moules et geckos.
  • Contact

Recherche