1.
Pourquoi l'Homme exploite-t-il l'hydrophobie ?
(a) Surface
lisse, les particules (ou "saletés") ne sont pas
emportées, mais plutôt répandues sur la surfac
(b)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
quelques produits utilisant l'effet lotus :
En reproduisant les techniques de la nature,
l’Homme peut ainsi innover sans utiliser les énergies fossiles.
En effet, depuis toujours les hommes ont tenté de s’inspirer de la nature pour améliorer leurs conditions de vie: c’est le phénomène de biomimétisme. Ce mot vient du grec ancien: bios (vie) et mimesis (imiter), il signifie imitation de la vie.
En effet, depuis toujours les hommes ont tenté de s’inspirer de la nature pour améliorer leurs conditions de vie: c’est le phénomène de biomimétisme. Ce mot vient du grec ancien: bios (vie) et mimesis (imiter), il signifie imitation de la vie.
Dans le monde moderne, les inventions ne cessent
de se développer pour améliorer notre quotidien. Ces découvertes sont,
elles-mêmes, à l’origine de nouvelles autres inventions, faisant ainsi
progresser la science.
Le phénomène de l'hydrophobie est compris et expliqué depuis environ 20 ans. Aujourd’hui, de nombreux progrès sont réalisés dans
ce domaine et des premiers sprays rendant les surfaces super-hydrophobes
commencent à être commercialisés dans les magasins (pas encore en France mais
déjà aux Etats-Unis).
Par exemple, l’effet Lotus présente
des caractéristiques très intéressante pour l’Homme, il rend une surface
auto-nettoyante en lui permettant de n’utiliser que de l’eau de pluie pour
garantir sa propreté.
Schéma
tiré de "Purity of the sacred lotus, or escape from
contamination in biological surfaces", 1996, W. Barthlott, C.
Neinhuis.
(b)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.
- de
la laque pour voitures
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.
2.
Comment l'Homme exploite-t-il l'hydrophobie ?
Si l’Homme s’intéresse depuis toujours aux phénomènes naturels, ce n’est pas uniquement dans le but de les comprendre mais pour améliorer nos conditions de vie.
Grâce aux progrès dans le domaine des micro-particules et des nanotechnologies, l’Homme parvient à recréer artificiellement des phénomènes naturels, notamment le phénomène d’hydrophobie grâce à la découverte de deux espèces chimiques qui possèdent chacune cette propriété : le carbone et le dioxyde de titane.
2.1 Le carbone
Le carbone peut posséder des propriétés hydrophobes grâce à une structure en
nanotubes. C’est la solution la plus facile à fabriquer et à utiliser pour
traiter les surfaces de tous types.
Une expérience sur le carbone est décrite dans la section "expériences".
2.2 Le dioxyde de titane
Le
dioxyde de titane ou TiO2 possède en plus des propriétés hydrophobes, des
propriétés catalytiques, en particulier : photocatalytique.
Le
principe de la photocatalyse consiste à provoquer, sous l’action d’un rayonnement
lumineux (solaire ou artificiel), en présence d’oxygène et d’humidité, la
dégradation des matières, principalement organiques, solides, liquides ou
gazeuses.
La
photocatalyse permet ainsi de décomposer les taches de polluants organiques :
pollution automobile et industrielle, mousses, moisissures, algues, lichen,
bactéries.
Le
verre autonettoyant utilise ces propriétés : c'est un verre ordinaire sur lequel on dépose lors de sa
fabrication une couche photocatalytique spéciale à base de dioxyde de
titane (TiO2) sur sa face extérieure. La fonction
autonettoyante des verres du même nom repose sur la conjugaison de deux
propriétés des couches microscopiques de TiO2 déposées sur du verre : la
photocatalyse et la super-hydrophilie.
Les
sprays comme l’Ultra Ever Dry ou le NeverWet sont des traitements industriels
apparus récemment.
La plupart de ces sprays rendent la surface superhydrophobe et oléophobe, c’est-à-dire que la surface est extrêmement difficile à mouiller. L’oléophobie est le phénomène qui permet à une surface de repousser les liquides organiques tels que les alcools ou les hydrocarbures, qui restent sous forme de gouttes.
La
photo ci-dessous montre la variation de l'angle de contact en fonction des
différents matériaux créés par l'Homme.
L’application
se fait généralement en 2 étapes. La première est une sorte de colle permettant
de préparer la surface pour la deuxième couche. La deuxième, quant à elle, est
constituée de nano-particules hydrophobes, qui sont alors littéralement «
collées » sur la surface de par l’action de la première couche.
Il y a un temps de séchage de 30 minutes après la première couche et de 10 minutes après la seconde pour l’Ultra Ever Dry. Ce qui est relativement rapide pour un traitement de cette nature. Néanmoins, il faut parfois réaliser plusieurs couches d’un même produit pour obtenir un meilleur résultat et surtout, une meilleure durabilité. Le temps de séchage devient alors beaucoup plus long.
Il y a un temps de séchage de 30 minutes après la première couche et de 10 minutes après la seconde pour l’Ultra Ever Dry. Ce qui est relativement rapide pour un traitement de cette nature. Néanmoins, il faut parfois réaliser plusieurs couches d’un même produit pour obtenir un meilleur résultat et surtout, une meilleure durabilité. Le temps de séchage devient alors beaucoup plus long.
Si
la surface n’est pas parfaitement lisse, une seule application de cette
deuxième couche seule est suffisante.
Sur les surfaces traitées avec ces méthodes, une goutte d’eau est sphérique et roule très facilement, elle n’accroche pas la surface. L’avantage des méthodes de dépôt est qu’on peut traiter de grandes surfaces, tous types de matériaux et de formes.
Sur les surfaces traitées avec ces méthodes, une goutte d’eau est sphérique et roule très facilement, elle n’accroche pas la surface. L’avantage des méthodes de dépôt est qu’on peut traiter de grandes surfaces, tous types de matériaux et de formes.
Aujourd’hui,
de nombreuses applications sont possibles pour les particuliers. Le site du
fabricant du spray Ultra Ever Dry donne une liste des avantages et utilisations
qu’ils présentent.
Quelques
d'exemples d'utilisation :
- Vêtements, bottes, chaussures, gants, chapeaux
- Outils, quincaillerie, boulons, verrous, équipements de peinture
- Escaliers, rails, passerelles
- Camions, bateaux, moteurs, machines
- Plans de travail
- Béton, briques, moellons
Il
est possible de rendre la surface de certains métaux super-hydrophobes, sans
utiliser de revêtements chimiques, grâce à un traitement laser.
Une équipe américaine de l'université de Rochester, dans l’État de New-York, est parvenue à rendre des surfaces métalliques hyper-hydrophobes, les gouttes d'eau rebondissent dessus.
L’équipe a utilisé un laser « femtoseconde », aux impulsions ultra-courtes et puissantes, pour modifier la structure de la surface des métaux aux échelles micro et nanoscopiques.
La zone traitée devient ainsi noire et repousse complètement l’eau qui viendrait dessus. Même posée délicatement, toute goutte va se mettre à rouler si la surface est inclinée à plus de 5 degrés.
Cette technique est utilisée sur les hélices des avions pour éviter qu'elles ne gèlent.
Une équipe américaine de l'université de Rochester, dans l’État de New-York, est parvenue à rendre des surfaces métalliques hyper-hydrophobes, les gouttes d'eau rebondissent dessus.
L’équipe a utilisé un laser « femtoseconde », aux impulsions ultra-courtes et puissantes, pour modifier la structure de la surface des métaux aux échelles micro et nanoscopiques.
La zone traitée devient ainsi noire et repousse complètement l’eau qui viendrait dessus. Même posée délicatement, toute goutte va se mettre à rouler si la surface est inclinée à plus de 5 degrés.
Cette technique est utilisée sur les hélices des avions pour éviter qu'elles ne gèlent.
3. Quelles en sont les limites ?
La plupart des produits utilisant le phénomène
hydrophobique sont basés sur les nano-technologies. Les sprays hydrophobes, les
peintures auto-nettoyantes (qui utilisent le TiO2), les pare-brises ou toutes autres
applications, contiennent un dépôt d’une fine couche de nano-particules. Il existe
cependant des inconvénients à cette utilisation :
- les surfaces rendues artificiellement super-hydrophobes sont fragiles. La couche nano-structurée est très sensible aux frottements qui réduisent son efficacité. Ainsi, certaines applications, notamment dans le domaine du textile, représentent encore un défi pour les industriels.
Cette fragilité est cependant en partie palliée par l’utilisation d’une couche (d’où les deux produits nécessaires) qui agit comme une colle et protège un peu la structure des frottements. Ultra Ever Dry évalue la durabilité de son produit à 8 mois environ.
- un autre problème concerne la santé : les barrières naturelles du corps n’agissent plus face à des particules si petites. Ainsi, lors de la vaporisation avec un spray, ou même un contact direct cutané avec une surface de ce type, des particules peuvent pénétrer dans notre corps sans en connaître le réel danger. C’est pourquoi il est grandement recommandé de porter un masque, des gants et d’éviter tout contact avec le produits lors de la vaporisation ou de l’utilisation.
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