Effet lotus biomimétique : principes, matériaux et applications du super‑hydrophobe

Le Lotus est une plante dont le nom dérivé du grec « Lotos » par le latin « Lotus » qui désigne en français diverses plantes, arbres, arbustes ou herbes, tant bien terrestres que aquatiques il est principalement connu pour ses propriétés autonettoyante. Cette plante fascine depuis longtemps les hommes, mais depuis quelques années les chercheurs ont découvert les raisons des 2 propriétés les plus intéressantes du Lotus: sa super hydrophobie et sa capacité auto-nettoyante.

Pourquoi la feuille de lotus reste propre : anatomie et mécanismes

À la surface de la feuille de lotus se joue une très complexe partition dans laquelle entrent en jeu la chimie et la physique. Loin d'être lisse, cette surface est extrêmement complexe, constituée de microcavités, elles-mêmes combinées avec des structures encore plus petites, à l'échelle du nanomètre (milliardième de mètre). Résultat, les corps étrangers disposent d'une surface de contact réduite et ne peuvent pas adhérer.

L’épiderme de la feuille de lotus produit une cire qui a des propriétés hydrophobes. Mais cela ne suffit pas pour expliquer cette capacité du lotus qui est bien plus développée que chez d’autres organismes. Elle vient en fait surtout de la forme de sa surface: quand on observe au microscope la surface d’une feuille de lotus, on pourrait la comparer à une peau de requin. Cette surface rugueuse permet à la plante de réduire au maximum sa surface de contact avec l’eau.

La feuille de lotus crée une surface superhydrophobe en excrétant de la cire à travers sa cuticule (sa couche la plus externe). Les minuscules cavités de la feuille sont remplies de cristaux de cire imperméable. Ce qui donne à la plante sa propriété hydrophobe. Les gouttes d'eau ne pénètrent pas, gardent leur forme sphérique et roulent à la surface du végétal, entraînant du même coup toutes les impuretés.

Mesures physiques : angles de contact et lois de mouillage

D’abord il faut savoir qu’une surface super hydrophobe l’est seulement quand elle repousse l’eau: elle ne doit pas pouvoir être absorbée par ladite surface, ce qui se traduit au niveau moléculaire par une incapacité de cette surface hydrophobe à former des liaisons hydrogènes avec l’eau. Et on peut également savoir le « degré d’hydrophobie » (et par conséquent l’hydrophilie) grâce à ce qu’on nomme l’angle de contact. Ensuite il suffit de se référer aux lois physiques, il faut savoir qu’au delà de 90° on parle de surface hydrophobe, et c’est seulement à partir de 150° que l’on peut considérer la surface comme étant « super hydrophobe ».

Lire aussi: présentation détaillée de l'Agence La Dame au Lotus SARL

Pour comprendre ces phénomènes, il est utile de commencer par la situation hydrophobe la plus extrême, qu'on nomme la caléfaction. Leidenfrost interpréta correctement ces expériences : un film de vapeur s'intercale entre la goutte et la plaque chaude, et maintient la goutte suspendue, telle un petit aéroglisseur. D'où sa mobilité extraordinaire, et son évaporation ralentie, à cause du pouvoir isolant de la couche de vapeur.

La loi de Cassie‑Baxter explique pourquoi une surface (le substrat pour être exacte) plus grossière augmente cet angle. Cette loi n’est en revanche utilisable que pour les surfaces suffisamment hydrophobes, dans les cas ou celle ci est réduite une autre loi s’applique: celle de Wenzel. Cependant pour déterminer l’angle de contact il faut utiliser une autre loi qui concerne les mouillages partiels: la relation de Young. Dans laquelle l’angle de contact θ, dépend de 3 facteurs: les tensions solide-liquide (γsl), celles liquides gazeux (γlv) et solide-vapeur (γsv).

Et le lotus grâce à sa surface rugueuse et sa cire hydrophobe, parvient à créer un angle d’environ 170°. Ce qui veut dire que moins de 1% de la surface de la goutte d’eau est en contact avec la feuille.

États de mouillage : fakir, Wenzel et robustesse

On nomme « état de Wenzel », du nom de l'ingénieur qui le décrivit le premier en 1936, cet état où un liquide imprègne la texture d'un solide. On réalise ainsi un état supermouillant (le liquide épouse la surface du solide), et superadhésif (les aspérités, mouillées par le liquide, retiennent celui-ci), à l'opposé de ce que l'on discute ici.

Nous avons proposé de qualifier d'« état fakir » cette situation où le liquide est posé sur la forêt de plots comme un fakir sur son tapis de clous. Un paramètre crucial est donc la densité de plots sous la goutte, les effets superhydrophobes apparaissant quand la surface supérieure des plots représente moins de dix pour cent de la surface apparente.

On est tenté de réduire la proportion de plots, pour augmenter encore la fraction d'eau posée sur de l'air. Mais on devine ce qui risque de se passer : à trop diluer les « clous », notre goutte fakir va s'empaler dans la structure, et réaliser l'état adhésif de Wenzel. Il ne s'agit pas seulement de réaliser un état fakir, il faut aussi rendre celui-ci robuste, capable de résister à l'empalement.

Une conséquence importante de ce scénario est qu'il fournit la parade pour réaliser un état fakir robuste, où de telles transitions ne se produisent plus : il suffit d'augmenter la hauteur des piliers. Alors, même si l'on appuie fortement, le liquide n'atteint plus le fond ; et même s'il le faisait, l'état de Wenzel ne serait cette fois plus favorable, puisqu'il exige de l'eau qu'elle se conforme à un matériau hydrophobe de grande superficie (à cause de la hauteur des plots), ce qui est défavorable.

Méthodes de fabrication de surfaces superhydrophobes

Depuis cinq ans, une bonne centaine de méthodes ont été proposées pour réaliser de telles structures. Certaines sont d'ailleurs très bon marché : en passant un morceau de verre au-dessus de la flamme d'une allumette, on le voit se noircir, à cause du dépôt d'une couche de suie à sa surface. La suie est un agglomérat de microparticules de carbone, qui structure donc la surface du verre tout en la rendant hydrophobe.

Les techniques de microlithographie permettent d'obtenir de telles surfaces à plots microscopiques, avec la possibilité d'ajuster les paramètres (hauteur, diamètre, distance des plots), ce qui permet de rechercher des surfaces aux propriétés optimales. D'autres solutions ont été proposées, par exemple recouvrir la surface de nanotubes de carbone que l'on fait pousser perpendiculairement au support, et qui le décorent comme une forêt d'arbres nanométriques.

Des structures analogues sont fabriquées depuis peu en laboratoire ; les premières ont été réalisées en 1999 par José Bico, au Collège de France, et Christian Marzolin, de la Société Saint‑Gobain, puis en 2000 par Thomas McCarthy, de l'Université du Massachusetts à Amherst.

Procédé d'électrodéposition et revêtements métalliques

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. Piqués au vif par ce phénomène, 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 chercheurs auraient réussi à définir une approche simple et bon marché permettant de protéger les surfaces métalliques à l'aide d'une fine pellicule de cuivre, à la fois super-hydrophobe, durable et ayant une bonne conductivité électrique. 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 dynamiques et comportements spectaculaires

Parler d'impact nous conduit naturellement à ce qui rend les surfaces superhydrophobes si spectaculaires : leur comportement dynamique. Les gouttes, à l'instar des gouttes de Leidenfrost, adhèrent très peu à ces surfaces, et n'interagissent avec elles que via la surface supérieure des plots, en général moins de dix pour cent de la surface plane de base : 90 pour cent du contact s'effectue avec l'air, sur lequel il n'y a aucun accrochage.

Sur une surface donnée, on trouve que le volume nécessaire pour qu'une goutte se décroche est typiquement 100 fois inférieur pour une goutte fakir que pour une goutte de Wenzel, ce qui traduit bien la mobilité incomparable de l'état fakir. Les gouttes d'eau adoptent en général la forme sphérique, en rejoignant le support avec un angle très élevé.

Si la vitesse d'impact dépasse un certain seuil, une partie de la goutte s'imprime dans la texture. Dans une telle expérience, on voit une goutte d'eau millimétrique s'étaler par inertie sur une surface centimétrique ; au centre apparaît une zone sombre et presque carrée, qui témoigne de l'enfoncement (partiel) de la goutte : comme dans un buvard, le matériau fonce là où il est imprégné.

Applications industrielles et développements commerciaux

Plusieurs secteurs industriels s’intéressent de près à ses propriétés. Le secteur de la construction dans le domaine de la peinture aussi est intéressée par ces capacités, elle envisage plusieurs applications. Le premier produit utilisant l'effet lotus est une peinture d'extérieur baptisée « Lotusan », vendue par la société allemande STO. En séchant, elle développe à sa surface cette fameuse structure irrégulière qui le rend hydrophobe, et protège ainsi efficacement le mur.

Des chimistes et des physiciens ont multiplié depuis une dizaine d'années les procédés pour fabriquer de telles surfaces, et mis en évidence les comportements excentriques des gouttes dans une telle situation. Stimulés par les applications potentielles (bétons ou verres hydrophobes, pare-brise antipluie, revêtement antigivre, lunettes antibuée), les recherches se sont d'abord concentrées sur la texturation des surfaces pour contrôler la répulsion de l'eau, puis se sont très vite étendues aux liquides à faible tension de surface, comme les huiles.

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. L’industrie navale est intéressée par la capacité du lotus à chasser l’eau. On trouve également ce principe-là dans des peintures autonettoyantes apposées sur des façades de bâtiment.

Le centre de recherche en textile de Dekendorf vient d'annoncer qu'il était en mesure d'appliquer l'« effet lotus » au monde du textile. On trouve également ce principe appliqué aux textiles-lotus. Ce qui est pratique, c'est qu'il ne se salissent pas. Christophe Neinhuis pense, lui, déjà à de prochaines applications, notamment avec le métal : « C'est un enjeu majeur, notamment pour l'industrie agro-alimentaire. Songez à des boîtes de conserve susceptibles de s'autonettoyer. »

Biomimétique, limites et perspectives

La pratique du biomimétisme est aujourd’hui extrêmement répandue en science, quel que soit le domaine d’application. Une véritable course s’est ainsi engagée pour reproduire les propriétés répulsives de la feuille de lotus sur des surfaces synthétiques. Ce sont aussi les progrès en techniques de microfabrication, permettant de créer ces textures de surface aux échelles recherchées, qui ont rendu possible l'essor du domaine.

Mais il ne suffit pas d'imiter la chimie ou la texture isolément : de très nombreuses substances naturelles ont cette propriété de superhydrophobie, et leur analyse physico‑chimique a montré qu'elles résultent bien toutes de la juxtaposition d'une chimie favorable (des cires, le plus souvent) et de microstructures. Plus tard, la possibilité de remplacer cette couche d'air par un film d’huile, également stabilisé dans cette texture de surface, a contribué au développement des « surfaces infusées », qui consistent en des surfaces rugueuses ou poreuses qui stabilisent en surface un maximum de liquide comme de l’huile.

La recherche doit encore résoudre des défis de durabilité, d'échelle industrielle et de compatibilité avec les propriétés mécaniques et électriques des matériaux. Il faut d'abord parfaitement comprendre les propriétés du produit, puis collaborer avec les industriels pour savoir comment appliquer ces traitements à leurs process. Cela suppose un nouveau process de fabrication qui ne peut se contenter d'un simple mélange.

Remercions chaleureusement ces incroyables surfaces autonettoyantes et poursuivons l'exploration des stratégies naturelles. L’« effet lotus » illustre non seulement la richesse de l’observation du vivant, mais aussi l’importance de cultiver des approches de recherche originales en marge des tendances dominantes.

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