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Effet lotus : quand la nature a horreur de l'eau

Au Laboratoire de physique des fluides organisés, David Quéré et son équipe se sont inspirés de phénomènes naturels pour fabriquer des matériaux super-hydrophobes aux nombreuses applications potentielles.

Quelques insectes et plus de 200 plantes ont la propriété d'être super-hydrophobes : posées sur eux, les gouttes d'eau restent presque sphériques, comme elles le sont dans une pluie ou un nuage. Cette propriété permet aux plantes de se protéger de l'eau : à cause de leur très faible contact, les gouttes n'adhèrent presque pas aux feuilles et roulent en emportant les poussières présentes sur la surface. Cette propriété est appelée l'effet lotus, du nom de la plante dont le caractère sacré en Inde est lié à l'aspect immaculé de ses feuilles.

Goutte d'eau millimétrique

© Mathilde Callies, David Quéré.

Goutte d'eau millimétrique sur un substrat texturé hydrophobe : la goutte garde la forme d'une perle (on dit du matériau qu'il est super-hydrophobe). La texture est un réseau de plots régulièrement organisés à l'échelle du micron, ce qui confère au matériau ses couleurs.


Des photographies au microscope électronique permettent de comprendre cet effet : la surface est couverte de micro-textures, à des échelles souvent comprises entre 1 et 10 microns. Par ailleurs, ces surfaces sont des cires : la cire étant hydrophobe, l'eau ne remplit pas les intervalles entre les textures et repose donc principalement sur de l'air – comme elle le fait dans un nuage. On comprend ainsi pourquoi l'ajout des textures peut amplifier nettement l'hydrophobie.

Feuille de Lotus

© Wilhelm Barthlott.

Surface d'une feuille de lotus, vue au microscope électronique.


On peut aussi déduire de ce scénario des recettes de surfaces super-hydrophobes artificielles : il suffit que le design installé sur le matériau favorise l'emprisonnement d'air. Des surfaces extrêmement désordonnées ont cette propriété, mais aussi des alignements très réguliers de plots, obtenus par nanolithographie et microgravure. Ces traitements de surface peuvent conférer au matériau d'autres propriétés que la super hydrophobie : ces solides sont irisés, possédant une « couleur structurelle » sans le moindre pigment, à l'instar de certains papillons.

Matériau texturé

© Mathilde Callies et Yong Chen.

Matériau texturé par un motif en plots (ou en piliers), vu au microscope électronique. La barre indique 10 microns.


Parce qu'ils évacuent l'eau si facilement, les solides super-hydrophobes ont de nombreuses applications potentielles : des tissus très imperméables ou perlants, des bétons hydrofugés, des revêtements de baignoire ou de cuisine. En outre, les propriétés dynamiques de l'eau sur ces solides en renforcent encore le potentiel : la pluie qui les tape y rebondit comme le ferait un petit ballon.

Deux films montrent des impacts à faible et à grande vitesse : dans les deux cas, la goutte se déforme à l'impact (ce qui lui permet de stocker son énergie cinétique comme le fait un ressort qu'on étire) puis se recompose, laissant la surface sèche derrière elle. Ces matériaux méritent bien leur qualificatif de « water repellent » !

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Rebond d'une goutte d'eau millimétrique lâchée de quelques centimètres de haut, sur une surface super-hydrophobe.
© Denis Richard, Christophe Clanet et David Quéré.  

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Rebond d'une goutte d'eau millimétrique lâchée de quelques décimètres de haut, sur une surface super-hydrophobe.
© Denis Richard, Christophe Clanet et David Quéré.

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Contact

David Quéré
Laboratoire de physique des fluides organisés
CNRS-Collège de France
Tél. : +33 (0)1 44 27 10 79
Mél : david.quere@college-de-france.fr

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Laboratoire de physique des fluides organisés

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