L'effet lotus

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):

-> 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.

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:

 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:

(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".

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:

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! 

Schéma tiré de "Purity of the sacred lotus, or 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!