Effet lotus - Définition
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Introduction
L'effet lotus est un phénomène de superhydrophobie causé par une rugosité nanométrique. Son nom provient du lotus sacré (Nelumbo nucifera), dont les feuilles présentent cette caractéristique. D’autres plantes, comme les feuilles de capucine (Tropaeolum), de chou, de roseau (Phragmites) ou de l'ancolie, et certains animaux, notamment des insectes, montrent le même comportement. L'effet lotus confère à la surface des capacités autonettoyantes : en s'écoulant, les gouttes d'eau emportent avec elles les poussières et particules. La faculté d’auto-nettoyage des surfaces hydrophobes à structure microscopique et nanoscopique a été découverte dans les années 1970 et son application aux produits biomimétiques remonte au milieu des années 1990.
Principe de fonctionnement
A la surface des feuilles de lotus se forment des gouttes d'eau brillantes et argentées (milieu de la photo), les feuilles du nénuphar (nymphéa) (à l'avant de la photo) sont complètement mouillées.
En raison de leur haute tension superficielle, les gouttes d’eau ont tendance à rétrécir leur surface et par conséquent à atteindre une forme sphérique. Au contact d’une surface, les forces d’adhérence des gouttes à la surface sont telles, qu’elles conduisent à l’humectage de celle-ci. En fonction de la texture de la surface et selon la tension superficielle des gouttes du liquide, on peut trouver un humectage complet comme un humectage partiel.
L’origine de l’auto-nettoyage réside dans une double structure hydrophobe (= qui n’absorbe pas l’eau) de la surface. Grâce à celle-ci, la surface de contact, et avec elle la force d’adhérence entre surface et particules de saleté ou bien eau, est si réduite, que cela aboutit à un auto-nettoyage.
Cette double structure est formée d’un épiderme de forme caractéristique, dont la couche extérieure s’appelle la cuticule, sur laquelle repose une couche de cire. L’épiderme du Lotus forme des papilles de 10 à 20 microns de hauteur et éloignées les unes des autres de 10 à 15 microns, sur lesquelles reposent les soi-disantes cires épicuticulaires. Cette couche de cires est hydrophobe et forme la deuxième partie de la double structure.
De cette facon l’eau ne peut plus parvenir jusque dans les interstices de la surface de la feuille, ce qui a pour conséquence que les points de contact entre eau et surface sont diminués de façon drastique.
L’hydrophobie des surfaces est déterminée par l’angle de contact. Plus cet angle de contact est grand, plus la surface est hydrophobe. Les surfaces avec un angle de contact inférieur à 90° sont qualifiées d’hydrophiles, celles dont l’angle de contact est supérieur à 90° d’hydrophobes.
Chez quelques plantes l’angle de contact peut atteindre jusqu’à 160° (superhydrophobie). Ce qui signifie que seulement environ 2 à 3 % de la surface des gouttes se trouvent en contact avec la surface de la plante, laquelle possède alors une capacité d'humectage extrêmement réduite. Par leur double structure, les feuilles du Lotus peuvent atteindre un angle de contact d’environ 170° par lequel une goutte d’eau a une surface de contact de seulement environ 0,6%. L’adhérence entre la surface de la feuille et la goutte d’eau est alors si tenue, que l’eau peut légèrement s’égoutter en perlant. Les particules de saletés qui se se trouvent sur le dessus de la feuille – et qui ne possèdent également qu’une petite surface de contact – sont alors détachées et expulsées. Même les particules de saleté hydrophobes sont expulsées de la surface de la plante puisque leur adhérence à la surface de la plante est moindre que celle à la goutte d’eau.
La tension superficielle des solutions aqueuses étant d’une signification primordiale pour la réduction de la surface de contact, on comprend bien que l’auto-nettoyage sous cette forme ne peut pas se produire dans le cas de solvants fortement adhérents, c’est-à-dire que de telles surfaces ne constituent pas de protection contre les graffiti.
Pour la plante, la signification biologique de cet effet auto-nettoyant réside en la protection contre une colonisation par des microorganismes, des agents pathogènes ou bien des germes comme les champignons ou encore la prolifération d’algues.
Il en va de même façon pour les animaux comme les papillons, les libellules et autres insectes qui n’arrivent pas à nettoyer toutes les parties de leur corps à l’aide seule de leurs pattes.
Une autre action positive de l’auto-nettoyage est de prévenir la salissure qui pourrait empêcher la pénétration de la lumière, et avec elle la photosynthèse, et pourrait aussi obstruer les stomates.
