Fiche de synthèse : explication de l'effet lotus (TPE)

Le lotus est une plante orientale dont les larges feuilles ont la propriété spectaculaire d'être très peu mouillées par l'eau. Ces gouttes ultra-mobiles ont la propriété supplémentaire d'emporter avec elles les poussières qu'elles trouvent sur leur chemin : celles-ci s'accrochent à la surface du liquide en mouvement, si bien que la trace laissée sur la feuille est non seulement sèche, mais propre : une simple pluie suffit à nettoyer ces surfaces, ce que le botaniste allemand Wilhelm Barthlott a baptisé « effet lotus ».

Phénomène et observation

Lorsque l'on jette une poignée de gouttes sur ces feuilles, on verra autant de billes qui roulent sans la moindre friction apparente, et disparaissent très vite de la surface de la feuille. Et si c'est du miel que l'on dépose, son comportement est tout aussi remarquable : il forme une perle que la moindre pente entraîne à vive allure, en dépit de sa viscosité élevée. L'effet lotus, appelé aussi autonettoyage de la feuille, est un phénomène de superhydrophobie causé par une rugosité nanométrique.

Mécanismes physiques et chimiques

Point essentiel pour comprendre l'effet lotus, l'eau a naturellement tendance à se mettre en boule : sa surface porte une énergie spécifique, reflet direct de sa cohésion. Le liquide recherche donc la forme de surface minimale, qui est la sphère. Une goutte de pluie est sphérique et les matériaux super-hydrophobes sont ceux qui préservent au mieux cette forme. Pour parvenir à ce résultat, il faut que le liquide ne touche pas vraiment son support mais reste comme en lévitation sur lui.

Sur la feuille de lotus comme sur environ 200 autres plantes, cette propriété est permise par la présence de picots micrométriques couverts de cire : amenée au contact de la feuille, l'eau ne la touche que par les sommets de ces aspérités, et repose donc (à 90 p. 100 environ) sur de l'air. Ce film d'air lui confère une mobilité extrême (la friction d'un liquide est bien moindre sur l'air que sur un solide), et une adhésion minimale (l'eau ne peut s'accrocher que sur les sommets des plots, dont la densité est faible et les dimensions petites).

La notion d'énergie de surface permet aussi de comprendre pourquoi les gouttes emmènent les poussières : en se collant à la surface de l'eau, un grain de poussière fait « disparaître » un morceau d'interface liquide-air, ce qui est énergétiquement favorable.

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Angle de contact et définitions

On définit le mouillage d’un matériau en observant l’angle de contact de ce dernier avec une goutte d’eau. Lorsque cet angle est supérieur à 90° (généralement entre 90° et 120°), la surface est hydrophobe (la surface de contact entre l’eau et le matériau est faible) et lorsqu'il est inférieur à 90°, la surface est hydrophile (la surface de contact entre l’eau et le matériau est élevée). L’hydrophobie se définit assez simplement : l’angle de contact d’une goutte d’eau, lorsqu’elle est sur une surface plane (localement), doit dépasser les 90 degrés. Au-delà de 150°, la surface est alors considérée comme étant super-hydrophobe.

Structure biologique responsable

L'effet lotus résulte donc principalement de la mobilité extraordinaire de l'eau sur ces surfaces, et accessoirement de la capacité d'une interface à piéger des particules solides - cette dernière propriété étant générale et pas spécialement liée au lotus, qui ne fait que l'exploiter. L’origine de l’autonettoyage réside dans une double structure hydrophobe de la surface. La double structure est formée d'un épiderme. La couche extérieure s'appelle la cuticule où il y a une couche de cire. L'épiderme de la feuille forme des papilles de quelques microns sur lesquelles reposent les cires.

La feuille de lotus crée une surface superhydrophobe en excrétant de la cire à travers sa cuticule (sa couche la plus externe). Si vous regardez au microscope, vous verrez que la surface de la feuille est constituée de pointes formées par les cellules de l’épiderme.

Regards historiques et scientifiques

Bien que le phénomène de l’autonettoyage du lotus soit connu en Asie depuis au moins 2000 ans (le lotus est entre autres le symbole de la pureté dans la religion bouddhique), ce n’est que depuis le début des années 70, avec l’introduction du microscope électronique, que le phénomène lotus a été étudié par le botaniste Wilhelm Barthlott. La première analyse scientifique fondamentale eut lieu sur les feuilles de lotus (Barthlott et Neinhuis, 1997). Dans le milieu des années 1990, ces deux auteurs réussirent également la première transposition sur des prototypes techniques et les premières coopérations industrielles virent le jour.

Depuis la fin des années 1990, ce sont avant tout des scientifiques en physique et science des matériaux qui ont exploré ce phénomène de façon intensive et il existe entre-temps une littérature extrêmement importante ainsi que des douzaines de brevets qui découlent du brevet Lotus-Effekt®.

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Applications techniques et biomimétique

On cherche à comprendre si aux effets anti-pluie peuvent s'ajouter des fonctions anti-buée ou anti-givre, et quels designs il convient de donner aux micro-textures pour engendrer de telles propriétés. L'effet lotus a vite intéressé le monde industriel : on peut rêver de surfaces à grande échelle réalisant cette propriété, des verres aux bétons, du bois aux métaux, et permettant d'éviter l'altération, la corrosion ou l'imprégnation engendrées par la présence d'eau à leur surface.

Dans le cas d’autonettoyage par des surfaces microscopiques et nanoscopiques superhydrophobes, il s’agit d’un phénomène purement chimico-physique que l’on peut appliquer de façon biomimétique à des surfaces techniques. Le premier produit commercial a été en 1999 la peinture autonettoyante pour façades (Lotusan®). Les verres autonettoyants constituent un autre domaine d'utilisation : ils ont été installés dans les capteurs optiques situés aux péages des autoroutes allemandes. La Société EVONIK AG a, quant à elle, développé des prototypes de laques et de matières plastiques.

Vers l'hydrophobie et l'oléophobie : limites et innovations

L'ennui, c'est que l'effet lotus ne s'applique pas à l'huile. Pour être oléophobe, une surface doit avoir une structure chimique différente de celle de la feuille de lotus. Une structure semblable à celle des fluoropolymères. Les fluoropolymères sont des plastiques haute performance bâtis sur de multiples liaisons fortes carbone-fluor. Ils résistent à la chaleur, aux solvants, aux acides et aux bases et sont particulièrement stables chimiquement.

Le matériau fluoropore repousse aussi bien l’eau que l’huile. En laboratoire, un jeune ingénieur du Karlsruhe Institute of Technology (KIT) a réussi à produire des surfaces super-répulsives vis-à-vis de l'eau comme de l'huile, qualité qu'il a désignée sous le nom d'« effet lotus 2.0 ». Seul souci : une stabilité insuffisante. Son matériau s'est en effet révélé particulièrement sensible à l'abrasion. Pour envisager des applications pratiques, il devra donc développer une nouvelle gamme de matériaux plus robustes, baptisés fluoropores.

Le ministère fédéral de l'Éducation et de la Recherche en Allemagne vient d'octroyer à un jeune ingénieur au département Microstructure du KIT un fonds de 2,85 millions d'euros pour l'aider à poursuivre ses travaux de développement de matériaux fluoropores. De tels revêtements innovants pourraient servir à peindre des murs sur lesquels plus aucun tag ne prendrait. Utilisés pour recouvrir les vitres des voitures, ils empêcheraient l'eau de s'y condenser et le gel de s'y former.

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Exemples d'autres organismes et matériaux inspirants

D’autres plantes, comme les feuilles de capucine (Tropaeolum spp.), de chou, de roseau (Phragmites spp.), de taro (Colocasia esculenta) ou de l'ancolie (Aguilegia spp.), et certains animaux (par exemple les plumes des oiseaux aquatiques), notamment des insectes, montrent le même comportement. Depuis le milieu des années 1990, des chercheurs s'inspirent de la nature pour concevoir des matériaux dits superhydrophobes. Quelques insectes et de nombreuses plantes, en effet, présentent la caractéristique de repousser les gouttes d'eau qui tombent sur leur peau ou sur leurs feuilles.

On a découvert qu'un petit arthropode du genre Collembola vivant dans les sols humides, qui doit se protéger d'une eau particulièrement impure, possède de telles structures sur sa carapace. Rappelons-nous par exemple les qualités auto-nettoyantes des pattes des rainettes qui ont permis de dessiner quelques pistes pour améliorer les surfaces collantes et les rendre elles-aussi auto-nettoyantes.

Procédés de fabrication inspirés du vivant

Plusieurs chercheurs tentent de fabriquer des surfaces qui imitent les propriétés des feuilles de lotus. Les procédés sont brevetés. Depuis la fin des années 1990, ce sont avant tout des scientifiques en physique et science des matériaux qui ont exploré ce phénomène de façon intensive et il existe entre-temps une littérature extrêmement importante ainsi que des douzaines de brevets qui découlent du brevet Lotus-Effekt®.

Le procédé, en deux étapes, s’appuie une technique assez commune appelée galvanoplastie, ou de manière plus descriptive « électrodéposition », qui permet d’appliquer sur une surface un dépôt métallique à l’aide d’un courant électrique continu, métal initialement présent sous forme de cations en solution dans un solvant. Ranga Pitchumani et Atieh Haghdoost se sont attelés à la création d’un revêtement qui aurait tout aussi peu d’affinités avec les molécules d’eau - avec succès semble-t-il. Les deux scientifiques se distinguent néanmoins en n’utilisant aucune matrice (procédé qu’ils ont fait breveté), ce qui ouvre la voie à la création d’un revêtement super-hydrophobe constitué du même matériau que celui de la surface à protéger, préservant ainsi ces propriétés thermiques et électriques.

Propriétés fonctionnelles et domaines d'application

La super-hydrophobie présente de nombreux intérêts : outre ses évidentes qualités d’imperméabilisation, elle permet de lutter assez efficacement contre le gel, souvent fatal pour les isolants électriques, les lignes à haute-tension, ou le revêtement des ailes d’un avion. Les gouttes d'eau forment des sphères qui glissent sur les feuilles et qui entraînent avec elles les particules de saleté qui s'y trouvent. L'effet lotus confère à la surface des capacités autonettoyantes : en s'écoulant, les gouttes d'eau emportent avec elles les particules de poussières qui réduiraient la capacité photosynthétique d'une feuille.

Tableau récapitulatif : éléments clés de l'effet lotus

Perspectives et défis

Il nous reste encore beaucoup à apprendre sur le comportement dynamique et complexe des plantes. L’équipe du projet PlaMatSu a essayé de recréer un matériau synthétique qui pourrait être appliqué sur les surfaces pour leur offrir une protection similaire. Selon Nico Bruns, ce matériau pourrait ensuite être converti sous forme de paillettes entièrement dégradables et exemptes de toute matière plastique.

Seul souci dans le transfert technologique : la stabilité mécanique et la résistance à l'abrasion des revêtements. Le jeune ingénieur du KIT compte pour cela sur une équipe pluridisciplinaire de spécialistes en génie des procédés, en chimie organique et en chimie des matériaux ainsi que sur les importants moyens d'analyse et de structuration dont dispose le KIT.

Les découvertes scientifiques ont parfois besoin d’un terme accrocheur pour stimuler notre imagination. L’« effet Lotus » en est un parfait exemple. Utilisé pour décrire les étonnantes propriétés autonettoyantes de la feuille de lotus, ce terme a ensuite été utilisé pour commercialiser toute une série de produits.

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