L'hydrophobie dans la nature

1. Les différents niveaux d'hydrophobie :

On dit d'un matériau qu'il est hydrophobe en  fonction de la grandeur de son angle de contact.

L'angle de contact est l'angle compris entre la surface fluide de la goutte d'eau et la surface solide de l'élément en contact. Il se mesure en degrés Celsius.

• si l'angle de contact est inférieur à 90°C, alors la surface sur laquelle se trouve la goutte d'eau est dite hydrophile, elle ne repousse pas l'eau.
• si l'angle de contact est compris entre 90°C et 150°C, alors la surface est hydrophobe et la goutte d'eau sera bombée.
• si l'angle de contact est compris entre 150°C et 180°C, on dit de la surface qu'elle est super-hydrophobe et la goutte d'eau sera presque sphérique.
• si l'angle de contact est supérieur à 180°C, la goutte sera totalement sphérique.

En physique, la loi de Cassie décrit l'angle de contact θc pour un liquide déposé sur une surface. Elle date de 1944 et permet d'expliquer pourquoi une surface plus « grossière » augmente cet angle.

La description formelle en est la suivante :

cos θc = γ1 cosθ1 + γ2 cosθ2 

avec θ₁ l'angle de contact pour la surface 1 sur une aire de γ₁ et θ₂ l'angle de contact pour le substrat 2 sur une aire γ₂, et avec γ₁ + γ₂ = 1.

Quand une surface est rugueuse, le contact avec la surface solide est réduit, l'angle de contact augmente donc. Lorsqu'il dépasse 150°, la goutte d'eau n'adhère pas à la surface. C'est alors une surface superhydrophobe.

Les recherches de Cassie ont montré que les propriétés super-hydrophobes des plumes du canard sont dûes à la nature même du milieu formé entre l'air et la plume et non pas à la présence de substances comme de l'huile.

2. A quoi sert l'hydrophobie dans la nature ?

Dans la nature, les êtres vivants ont développé différents moyens pour vivre, l'un d'entre eux étant l'hydrophobie.

Par exemple, le lotus est une plante hydrophobe : chez les plantes terrestres, les feuilles mouillées se plient sous le poids des gouttes, ce qui permet à l'eau de s'écouler. Cette solution n'est pas possible chez le lotus ou chez le nénuphar qui sont des plantes aquatiques.

Leurs feuilles sont horizontales, à la surface des plans d'eau où elles poussent. Lorsqu'il pleut, la feuille ne peut donc pas se débarrasser de l'eau accumulée et on imagine bien que si trop d'eau tombait sur la feuille, celle-ci finira par se retrouver sous l'eau à cause du poids des gouttes accumulées.

De plus, sur le lotus, l'hydrophobie a une fonction auto-nettoyante, elle reste toujours propre, c'est pour cela que dans les religions comme l'hindouisme ou le bouddhisme cette plante est sacrée, elle n'est jamais sale.

Cet auto-nettoyage est effectué grâce aux gouttes d'eau qui ne s'accrochent pas à la paroi et qui, donc, glissent en attrapant les poussières ou tout ce qui pourrait s'accrocher à la plante.

Ainsi, la feuille peut rester sèche et propre et peut réaliser sa photosynthèse en absorbant efficacement le dioxyde de carbone. En effet, sur une feuille humide, la photosynthèse est difficile car le CO² se diffuse beaucoup plus lentement dans l'eau que dans l'air. De plus, elle doit rester propre pour ne pas obstruer la sortie de l’oxygène.

Sur la capucine, l'hydrophobie sert à faciliter sa photosynthèse et à éviter le développement de bactéries ou de champignons. 

De même pour les oiseaux aquatiques comme le canard ou terrestres comme le pan. 

De plus, ces oiseaux sont hydrophobes aussi pour éviter l'alourdissement, par l'eau, de leurs ailes car cet alourdissement pourrait gêner leurs vol. 

Pour les insectes comme le moustique, l'hydrophobie sur son corps lui permet de pouvoir voler sous la pluie. En effet, sans l'hydrophobie de ses ailes, le vol du moustique sous la pluie serait très dangereuse car le poids d'une goutte d'eau qui tombe sur un moustique équivaut au poids d'un orque femelle qui tombe sur un humain.

Une étude de Andrew Dickerson et ses collègues de l’Institut de Technologie de Géorgie, à Atlanta aux États-Unis, a montré que les gouttes d'eau de pluie tombaient le plus souvent sur les pattes et les ailes du moustique. Dans ce cas-là, le moustique tangue ou tourne sur lui-même et reprend sa route en une dizaine de millisecondes.

Si une goutte d'eau arrive sur le corps du moustique, alors le moustique suivra la trajectoire de la goutte, soudé à elle, pendant quelques millisecondes, tombant de 5 à 20 fois sa taille puis reprendra son vol. Si le moustique est près du sol, ce sera difficile pour lui de s'en sortir.

Pour la cigale, une accumulation d'eau peut nuire au vol de l'insecte.

Les petites cigales ne possèdent pas ou très rarement des ailes hydrophobes, car elles peuvent nettoyer leurs ailes avec leurs pattes tandis que les grandes cigales possèdent toutes les ailes hydrophobes car elles ne peuvent pas atteindre le bout de leurs ailes pour les nettoyer.

Pour le gerris, l'hydrophobie est utile pour se nourrir, ses pattes hydrophobes lui permettent de se déplacer sur l'eau et de pouvoir attraper les insectes aquatiques comme les larves de moustiques qui vivent à la surface de l'eau.

La loi de Cassie explique l'effet lotus qui permet notamment aux feuilles de lotus d'être nettoyées grâce aux gouttes d'eau qui ruissellent à leur surface. Elle permet aussi d'expliquer le fait que les gerris s'appuient sur l'eau sans couler.

3. Les surfaces hydrophobes : 

Pourquoi l'eau ne s'accroche-t-elle pas aux parois hydrophobes comme le lotus?

Les parois hydrophobes ont une structure particulière.

La texture de la feuille de lotus est super-hydrophobe, elle ne laisse pas pénétrer l’eau.

A l’œil nu, la surface de la feuille de lotus paraît lisse et pourtant, à l’échelle nanométrique, sa surface est rugueuse.

Les parois hydrophobes sont composées d'aspérités microscopiques régulières elles-même recouvertes d'une nano-rugosité qui accentue l’aspect hydrophobe.

Cette image représente les aspérités microscopiques en dessous d'une goutte d'eau.

Le phénomène de nano-rugosité définit des nano-particules à la surfaces des aspérités microscopiques.

La photo ci-dessous est une photo prise au microscope électronique qui montre les nano-particules:

Les nano-particules sont composées de : céramique, diamant, argent et verre.

Ces composants s’organisent et s’assemblent différemment en fonction de la surface à traiter. L’élément principal conducteur de ces nano-particules est l’eau ou l’alcool. Ces nano-particules adhèrent à la surface et par leur assemblage, forment un microfilm invisible. Elles restent au contact de la surface tandis que l’eau ou l’alcool s’évapore.

- si la surface est lisse et non absorbante, les nano-particules se lient entre elles, se fixent au support et constituent ainsi une sorte de barrière. Les saletés ne peuvent donc pas adhérer à la surface.

- si la surface est poreuse, les nano-particules vont pénétrer dans la surface, remplir les pores, envelopper les fibres et ainsi, empêcher l’adhérence de tout liquide et solide.

A l’air, une goutte d’eau a une forme sphérique. En contact avec une surface hydrophile, la goutte d’eau aura tendance à s’étaler, contrairement à une surface hydrophobe où, en contact avec cette surface, la goutte d’eau gardera sa forme ronde.

Les irrégularités de la paroi permettent la formation d’un coussin d’air entre la goutte d’eau et la feuille, la goutte d’eau se comporte alors comme dans l’air, elle reste donc très ronde.

Mais ces irrégularités peuvent être aussi dûes à des micros poils comme pour le gerris.

Le secret réside dans la structure des poils des pattes du Gerris. Des milliers de poils nanoscopiques recouvrent les pattes de la punaise d’eau. Grâce à une image ci-dessous obtenue au microscope électronique à balayage, des chercheurs ont constaté que ces poils étaient comme des épingles striées de fines rainures.

Pour le lotus comme pour certaines autres espèces hydrophobes, ces aspérités sont recouvertes d'une couche de composition chimique proche de la cire qui augmente l'effet super-hydrophobe.
L’homme s’est inspiré de ce phénomène naturel et l’utilise dans de divers domaines et sur différentes surfaces pour obtenir cet effet déperlant appelé « effet lotus ».

L'hydrophobie est créée grâce à la structure des parois hydrophobes mais la tension superficielle joue aussi un rôle important.

La tension superficielle est une force physique qui s’applique à tous les liquides. Elle maintient la cohésion des molécules d’un liquide jusqu'à un certain volume, pour l’eau le volume maximal est de 0,020ml ce qui équivaut au volume d'une goutte. Elle existe au niveau de toutes interfaces entre deux milieux différents : entre solide et liquide, liquide et gaz et solide et gaz.

Elle est appelée aussi tension de surface ou énergie de surface. La tension superficielle permet à la goutte d’eau de ne pas s’étaler sur une feuille, ou à certains insectes de marcher sur l’eau.

Elle s’apparente aussi à la fine membrane présente à la surface d’un liquide telle cette forme bombée que prend l'eau dans un verre rempli à ras bord qui est la force de capillarité. Le phénomène de la capillarité désigne ordinairement la capacité de l’eau et de certains liquides à monter naturellement malgré la force de gravité le long de tubes très fins plongés dans ces liquides. La remontée est d’autant plus forte que le tube est fin.

La tension superficielle est une force qui varie en fonction du liquide (exemple: miel, eau, chlore…).

Ce n’est donc pas une constante.

La tension superficielle dépend aussi directement de la température du liquide. En effet, celle-ci diminue avec l’augmentation de la température.

Exemple de l’eau :

Les molécules d’eau sont attirées entre elles. L’énergie moléculaire est donc uniquement en direction de l’intérieur, ce phénomène forme des gouttes d’eau, la sphère étant la forme de surface la plus petite possible.

Si l’on place cette goutte d’eau sur un support à faible énergie de surface ou à faible tension superficielle, les forces d’attractions internes de la goutte seront plus fortes et elle aura donc un minimum de contact avec le support en question, par exemple un film plastique.

Si, au contraire, on place cette goutte d’eau sur un support à forte énergie de surface, par exemple le verre, les forces intérieures qui forment la structure de cette goutte auront tendance à être contrebalancées.

La goutte sera donc plus aplatie sur ce matériau et ceci s’explique par le phénomène de mouillabilité.