Effet Lotus

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Image générée par ordinateur de l'effet lotus avec deux gouttes d'eau reposant sur les micro-structures

Eau s'écoulant à la surface d'une feuille de lotus

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

Feuilles de lotus sous la pluie
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.

Différence entre une surface de verre normale et une surface de verre hydrophobe

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.

Animation de simulation de l'effet lotus par ordinateur

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.

Utilisation industrielle

Dans le cas d’auto-nettoyage par des surfaces microscopiques et nanoscopiques superhydrophobes, il s’agit d’un phénomène purement chemico-physique que l’on peut appliquer de facon biomimétique à des surfaces techniques. Le premier produit commercial a été en 1999 la peinture auto-nettoyante pour façades (Lotusan®). Entre-temps il existe avec ce seul produit environ 50 000 bâtiments de par le monde qui ont été enduits de “revêtements-Lotus”.

Les verres auto-nettoyants d’après le principe du lotus de la société Ferro GmbH constituent un autre domaine d’utilisation: ils ont été installés dans les capteurs optiques situés aux péage des autoroutes allemandes. La Société EVONIK AG a, quant à elle, développé des prototypes de laques et de matières plastiques.

Une entreprise textile italienne a appliqué le principe du effet lotus à de tissus.^[1]

La publicité utilise souvent à dessein la dénomination mensongère “easy to clean “ (facile à nettoyer) pour des surfaces qui n’ont rien à voir avec les surfaces auto-nettoyantes d’après le principe du Lotus.

Historique

Bien que le phénomène de l’auto-nettoyage 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 botanniste Wilhelm Barthlott (Barthlott et Ehler, 1977; Barthlott et Wollenweber, 1982; Barthlott, 1992). À l’origine, les travaux ont été surtout conduits sur la capucine. La première analyse scientifique fondamentale eu 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. 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®.

Pour le décodage du principe de fonctionnement des surfaces auto-nettoyantes du lotus et son application en matière de produits techniques, les travaux de Wilhelm Barthlott ont été récompensés par de nombreux prix (Prix Karl-Heinz Beckurt en 1997, nomination pour le “Prix allemand du Président de la République” en 1998, Prix de la recherché de la Fondation Philip Morris en 1999, Prix allemand de l’environnement en 1999, Prix de l’Innovation du Ministére Fédéral de l’Education et de la Recherche en 2005 entre autres).

Littérature

• Barthlott, W. & Ehler, N. (1977): Raster-Elektronenmikroskopie der Epidermis-Oberflächen von Spermatophyten. Trop. subtrop. Pflanzenwelt 19, Akad. Wiss. Lit. Mainz. F. Steiner Verlag, Stuttgart, 110
• Barthlott, W. (1990): Scanning electron microscopy of the epidermal surface in plants. In: Claugher, D. (ed.) Application of the scanning EM in taxonomy and functional morphology. Systematics Association's Special Volume. Clarendon Press, Oxford, 69-94
• Barthlott, W. & Neinhuis, C. (1997): Purity of the sacred lotus, or escape from contamination in biological surfaces. Planta 202, 1-8
• Cerman, Z., Stosch, A. K. & Barthlott, W. (2004): Der Lotus-Effekt®. Selbstreinigende Oberflächen und ihre Übertragung in die Technik. Biologie in unserer Zeit 5: 290-296
• Forbes, P. (2005): The Gecko’s Foot, Bio-inspiration – Engineering New Materials and devices from Nature. Fourth Estate, London, 272 p
• Forbes, P. (2008): Self-Cleaning Materials. Scientific American, Vol. 299 No. 2, 67-75
• Guillot, A., Meyer, J.-A. (2008): La bionique - Quand la science imite la Nature, Dunod, Paris (ISBN 978-2-10-050635-4)
• Herminghaus, S. (2000): Roughness-induced non-wetting. Europhysics Letters 52, 165-170
• Koch, K., Bhushan, B. & Barthlott, W. (2008): Diversity of structure, Morphology and Wetting of Plant Surfaces. Soft matter, in press
• Lafuma, A. & Quéré, D. (2003): Superhydrophobic states. Nature Materials 2, 457-460
• Neinhuis, C. & Barthlott, W. (1997): Characterization and distribution of water-repellent, self-cleaning plant surfaces. Annals of Botany. 79, 667-677
• Reyssat, M., Quéré, D. (2006): L'effet lotus. Pour la science, septembre 2006, 34-40
• Solga, A., Cerman, Z., Striffler, B. F., Spaeth, M. & Barthlott, W. (2007): The dream of staying clean: Lotus and biomimetic surfaces. Bioinspiration & Biomimetics 2, 1-9
• von Baeyer, H. C. (2000): The Lotus Effect. The Sciences, 12-15

References

Liens externes

• Groupe de projet Effet Lotus au Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen de l'Université Friedrich Wilhem de Bonn
• Une publication de 1944 sur le sujet.

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