Une matière vivante super-hydrophobe

Son principe d'action : une matière vivante super-hydrophobe

Hydrophobie et mouillage, loi de Young-Dupré

Hydrophobie

Le mot « hydrophobe », vient du grec (hydro=eau et phobos=peur, c'est littéralement la peur de l'eau). Le mot « hydrophobe » s'utilise pour parler d'une substance que l'eau ne mouille pas ou qui tend à éviter le contact avec les molécules d'eau.

Le mot en tant qu'adjectif s'attache à des surfaces, des substances ou n'importe quel autre composé chimique présentant les caractéristiques nécessaires à l'appellation « hydrophobe ».

Voici quelques exemples de substances hydrophobes : l'huile, la cire (à noter qu'il s'agit d'un composant des feuilles de lotus).

Les surfaces regroupant ces propriétés, aussi bien naturelles que chimiques, possèdent donc une capacité à ne pas s'imbiber d'eau, qui ne disparaît pas avec le vieillissement. Dans les exemples naturels, on trouve : la fleur de tulipe, le chou, les plumes du canard ou encore le gerris (genre d'insecte hémiptère ayant de la capacité de se déplacer sur l'eau), sans oublier l'exemple type, la feuille de lotus.

Une surface hydrophobe est texturée, c'est-à-dire qu'elle n'est pas plane. Une surface est dite hydrophobe si l'angle de contact formé par la goutte d'eau par rapport à la surface est supérieur ou égal à 90°. Dans ce cas, on parle de mouillage faible, et à l'inverse lorsque l'angle est inférieur à 90°, de mouillage important. Une surface est dite super-hydrophobe si l'angle de contact formé par la goutte d'eau par rapport à la surface est supérieur ou égal à 150°.

           

Mouillage et Loi de Young-Dupré

Les propriétés de mouillage interviennent dans de nombreux procédés aux applications très variées, tels les insecticides (les dépôts sur les végétaux ne forment pas de gouttes mais ruissellent sur les feuilles.

Lorsque l'on parle de surface (super) hydrophobe, notamment dans le cas de la feuille de lotus, il est important de connaître la notion de mouillage.

La notion de mouillage est liée à l'hydrophobie d'une surface. Le mouillage d'un liquide sur un solide désigne d'une part la forme que prend le liquide à la surface du solide et d'autre part la façon dont il se comporte lorsque l'on essaie de le faire couler.        

On qualifie le mouillage grâce au degré d'étalement du liquide sur le solide : on parle de mouillage total lorsque le liquide s'étale totalement, de mouillage partiel dès lors que le liquide forme une goutte sur le solide et de mouillage nul si l'angle de contact formé par la goutte par rapport à la surface du solide est supérieur à 180°.

Remarque : Le mouillage nul d'une surface n'existe pas à l'état naturel, cependant il est possible de l'atteindre par la caléfaction, la situation d'hydrophobie la plus extrême.

           

Le type de mouillage (total, partiel ou nul) est déterminé par le signe du coefficient d'étalement (calculé grâce à l'angle de contact).

• Si le mouillage est total, le liquide s'étale complètement sur la surface jusqu'à former un film qui la recouvre entièrement. 

• Si le mouillage est partiel, le mouillage forme des gouttes, plus ou moins étalées, à la surface du solide.

• Si le mouillage est nul, la goutte est parfaitement sphérique et possède un unique point de contact avec la surface.

L'angle de contact, noté θ permet de quantifier la qualité du mouillage. La relation qui donne l'expression de cet angle est appelée loi de Young-Dupré.

 

Les inhomogénéités d'une surface entraînent une modification des propriétés de mouillage; l'angle de raccordement du liquide avec le substrat (c'est à dire l'angle de contact) varie entre deux angles caractéristiques : l'angle d'avancée (la valeur la plus grande de l'angle de contact) et de reculée (valeur la plus petite. L'écart entre ces angles correspond à la latence de l'angle de contact qui peut être liée aux hétérogénéités physique et/ou chimiques de la surface (exemple pour la feuille de lotus : les nanorugosités font légèrement varier l'angle de contact d'un endroit à l'autre). Cette latence est appelée hystérésis.

            Pour récapituler : Ainsi, il est possible de déterminer la nature de l'hydrophobie d'une surface et aussi son degré d'hydrophobie. On classe donc dans 3 catégories l'hydrophobie d'une surface : 

• Si l'angle de contact formé par la goutte d'eau par rapport à la surface est inférieur à 90°, on dit que la surface est hydrophile, donc qu'elle "aime" l'eau. Son mouillage est important, voire total.
• Lorsque l'angle de contact est supérieur ou égal à 90°, on dit que la surface est hydrophobe, elle « préfère » l'air à l'eau, et le mouillage est faible ou partiel.
• Enfin, lorsque l'angle est supérieur ou égal à 150°, on parle de super-hydrophobie de la surface. Le mouillage est alors très faible voire nul (le mouillage est nul lorsque l'angle de contact est supérieur à 180°), et on notera que la surface de la goutte a seulement 2 à 5 % de contact avec le solide.

A

C

B

Schéma:

A

C

B

A: forme d'une goutte sur une surface super-hydrophobe (angle de contact ≥ 150°)

B: forme d'une goutte sur une surface hydrophobe (angle de contact ≥ 90°)

C: forme d'une goutte sur une surface hydrophile (angle de contact ≤ 90°)

La feuille de lotus est ainsi une plante super-hydrophobe car l'angle de contact entre les gouttes et la surface et supérieur à 150°. C'est une surface dite non mouillante, c'est-à-dire que la feuille « préfère » l'air à l'eau, et le mouillage est très faible.

Cette notion de mouillage a été beaucoup utilisée par les chercheurs pour pouvoir reproduire les caractéristiques de l'effet lotus.

Autres surfaces hydrophobes naturelles

Tout comme la feuille de lotus, d'autres êtres vivants possèdent des propriétés hydrophobes. Les botanistes allemands Wilhem Barthlott et Christoph Neinhuis ont répertorié 200 plantes super-hydrophobes parmi lesquelles figurent en plus de lotus, la capucine, le magnolia, le chou ou encore le ginkgo. Un certain nombre d'animaux ont aussi des parties de leur corps super-hydrophobes, pour des raisons faciles à comprendre : le canard pourra ainsi sortir sec de la mare, et le gerris déambuler à sa surface, voire y sauter sans que ses pattes ne s'enfoncent dans l'eau. 

Il existe d'autres surfaces hydrophobes naturelles: on pourrait citer de nombreuses autres plantes mais aussi la plume du canard, la patte du gerris, insecte qui a la capacité de se déplacer sur l'eau...