L"hydrophobie - Le biomimétisme

Les chercheurs scientifiques sont toujours en quête de nouveaux moyens pour faciliter la vie humaine. Ils ont alors décidé de s’inspirer des espèces animales et végétales pour créer de nouvelles méthodes applicables à l’échelle humaine : c’est le Biomimétisme.
Cette année le biomimétisme est proposé dans le thème Structure des TPE. Nous avons donc choisi d’étudier un processus qui s’introduit dans le biomimétisme : l’hydrophobie.

Quels sont les mécanismes et applications de l'hydrophobie ?

Le biomimétisme consiste à observer et étudier les êtres vivants et leurs interactions pour comprendre leur fonctionnement, puis transposer les mécanismes du vivant vers les activités industrielles. Le champ couvert par le biomimétisme englobe la plupart de nos activités : agriculture, énergie, santé…Il suffit juste de faire attention pour repèrer les innovations qui ont, en fin de compte tout simplement reproduit les mécanismes des êtres vivants.

En 2005 une société japonaise a mis au point des aiguilles coniques permettant de réaliser des piqûres indolores. Cette innovation a été en effet inspirée de la trompe du moustique, qui se caractérise par sa piqure indolore
Une aiguille inspirée des moustiques

Un ingénieur japonais a trouvé une solution pour le dérangement causé par le bruit du TGV japonais. En effet, il s’est inspiré du martin pécheur, un oiseau qui parvient à plonger pour attraper ses proies dans l’eau sans perte de vitesse ni faire de remous.
Le TGV japonais inspiré du martin pecheur

Le gecko est un lézard capable de se déplacer à travers les toits et les mûrs grâce à l’adhérence de ses doigts. Son secret réside entre ses doigts. Pas la moindre bulle d’air ne peut s’immiscer entre la paroi et le gecko. En 2011, des chercheurs américains imitent la peau du gecko en mettant au point un adhésif sec, très puissant et incolore pouvant supporter des poids importants.
Un adhésif imitant la peau du Gecko

Le mot "hydrophobe" vient du latin "hydro" qui veut dire "eau" et "phobe" qui veut dire "peur" : les matériaux qui sont hydrophobes sont alors des matériaux qui ne laissent pas adhérer l’eau à sa surface.
Le premier avantage qui nous vient à l’esprit lorsque l’on parle d'un matériau hydrophobe est bien évidemment qu'il peut repousser l'eau qui lui tombe dessus. Ce point intéresse les industries, qui innovent sans cesse afin de rendre nos objets du quotidien moins salissants au contact d'un liquide.

Les T Shirts hydrophobes

Les chercheurs sont arrivés ainsi à créer un tissu qui selon eux est « non mouillable » Ainsi ; de nouveaux types de T-Shirts sont apparus sur la marché . La propriété hydrophobe de ces T-shirts est due à la nanotechnologie qui permet de repousser tout liquide . En effet, les fibres de ce textile sont tissées extrêmement serrées. C’est cette structure qui confère la propriété hydrophobe au T-shirt, car les fibres sont tellement proches que l'eau ne passe pas.

Les sprays

Il existe des sprays comme l’Ultra Ever Dry qui sont des traitements chimiques apparus récemment. Ils rendent des surfaces comme les tissus ou les chaussures hydrophobes. Ces sprays sont composés de nanoparticules qui vont se fixer à la surface et faire en sorte que l'eau ne s'y accroche pas.

Peinture hydrophobe

En 1999, l'entreprise de peinture allemande Sto a créé, une peinture pour les façades qui s’inspire des principes des feuilles de lotus. Celle-ci présente des caractéristiques hydrophobes . De cette manière, cette peinture se nettoie très simplement avec l'eau qui emporte les poussières déposées sur la façade, surtout en ville à cause de la pollution. L’enjeu était donc de créer une peinture qui, après étalement sur une façade, resterait toujours propre grâce à la pluie.

Ce qu’il faut connaitre tout d’abord c’est que l’eau est polaire. Elle a donc une affinité particulière pour les composés polaires, dits hydrophiles . A l’inverse, l’eau n’attire pas les composés apolaires, dits hydrophobes.

Les molécules hydrophobes sont généralement composées de carbone et d’hydrogène car ces deux atomes présentent une différence d’électronégativité très faible. Ainsi, la liaison n’aura pas de moment dipolaire.

A l’intérieur d’un liquide, les molécules interagissent entre elles : c’est la cohésion. L’attraction entre ces molécules se compense.

A la surface du liquide, il y a beaucoup moins d’interactions entre les molécules. Elles ne peuvent interagir qu’avec leurs voisines latérales et inférieures. Ainsi, à la surface du liquide, les forces de cohésion ne s’équilibrent pas symétriquement.Cela s’explique par un phénomène appelé tension de surface, ou encore tension superficielle.

La tension superficielle caractérise l’aptitude qu’a la surface d’un liquide à prendre la plus petite valeur possible dans un milieu donné. Elle caractérise également la cohésion d’un liquide puisqu’il faut vaincre les forces de cohésion internes de celui-ci pour accroitre cette surface.

Un liquide aura par conséquent tendance à prendre la forme qui lui confère la plus petite surface possible, c’est-à-dire la
sphère.
Mécaniquement, la tension superficielle s’exprime comme une force s’opposant à un accroissement de surface et rapportée à l’unité de longueur. L’unité utilisée est le N/m.

Si l’on place une 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.

L’angle de contact, ou angle de mouillage est l’angle que forme une goutte de liquide posée sur la surface d’un liquide. Il peut varier de 0 à 180 degrés et en fonction de sa valeur, on peut classer les surfaces comme suit :

- moins que 90° : surface hydrophile
- entre 90° et 140° : surface hydrophobe
- plus que 150° surface superhydrophobe

On peut calculer l'angle de contact par la formule ci dessous :

Où

,

et

sont respectivement les tensions superficielles solide/vapeur, solide/liquide et liquide/vapeur.
Les tensions superficielles de ces trois interfaces déterminent l'angle de contact entre la goutte et et son support.

L'hydrophobie chez les êtres vivants: Le lotus image

Le lotus est une plante aquatique caractérisée par ses énormes feuilles de 30 à 60cm de diamètre, soit flottantes, soit, plus souvent, dressées hors de l’eau sur un robuste pétiole atteignant 2m de haut et implanté en plein milieu de la feuille . Elles se distinguent aussi par leur coloration vert-bleuté et surtout leur aspect impeccable.

La feuille de lotus minimise sa surface de contact avec l’eau grâce à sa surface rugueuse, constituée de petites bosses très serrées nommées papilles mesurant de 10 à 20 microns de hauteurs.
Le lotus présente en plus une hétérogénéité de ces excroissances permettant la réduction de la surface de contact avec l’eau.

Au niveau de la cuticule on retrouve une couche de cire qui a des propriétés hydrophobes. En effet, la cire est composée principalement d’atomes de carbone et d’hydrogène et exerce donc une force répulsive sur l’eau. Ainsi, la goutte d’eau garde sa forme sphérique et n’adhère pas à la surface des papilles.

Le canard, étant un oiseau qui vit la plupart du temps dans un milieu aquatique, doit sécher rapidement ses plumes pour être plus léger et pouvoir nager sans soucis. C’est pourquoi les plumes de canard sont super hydrophobes et n’ont, ainsi, pas besoin de sécher à la sortie de l’eau. Pour faciliter cela, les plumes sont graissées, ce qui assure la résistance des plumes à l’eau.

Structure de la plume :

Une plume est constituée d'une tige principale appelée rachis. A sa base se trouve le Calamus, qui est fiché dans la peau et maintenu par des tissus musculaires. Les deux côtés du rachis sont constitués de barbes, elles-mêmes garnies de barbules, qui sont reliées par des crochets (ou barbicelles).

Observation au microscope électronique d'une plume de canard

Ces micro poils sont à l’origine de l’imperméabilité des plumes de canard. Cependant, cet oiseau possède une glande uropygienne qui, elle aussi, participe au caractère hydrophobe de ses plumes.

Qu'est-ce que la glande uropygienne ?

Il s'agit d'un organe situé à la base de la queue des oiseaux. Elle sécrète une substance huileuse ( dont un des composants est la cire) et incolore, appelée « sécrétion holocrine », que les oiseaux utilisent afin de lisser leurs plumes et ainsi réorganiser l’entrecroisement des barbes et barbules afin de créer une couverture imperméabilisante à la surface de la plume.

On vient de voir que la cire joue un rôle important dans l'hydrophobie de la feuille de Lotus et du plumage du canard.

On se demande alors, qu’est ce qui confère à la cire sa qualité hydrophobe ?

La cire appartient à la famille des cérides qui sont des lipides.
Cette molécule a une chaîne carbonée très longue avec un groupe ester au milieu : en effet ce groupe est polaire mais la polarité globale de la molécule est atténuée par la chaîne carbonée apolaire bien plus grande que le groupe ester. Ainsi, cette molécule est apolaire et n’est pas attirée par l’eau.

L’hémoglobine est la protéine du globule rouge. Elle est constituée de 2 chaînes Alpha et 2 chaînes Beta. Elle est chargée du transport de l’oxygène dans le sang. L’acide aminé glutamique de l’hémoglobine A (en position 6 au niveau de la chaîne beta) est responsable de l’hydro-solubilité de la molécule ce qui donne une forme sphérique au globule rouge, expliquant la facilité de passage des hématies dans les vaisseaux.

La drépanocytose est une maladie autosomale récessive due à une mutation du gène b globine situé sur le chromosome 11. Il s'agit d'une maladie de l'hémoglobine. Les globules rouges sont déformés et ont du mal à circuler dans le sang.

Chez un drépanocytaire, une substitution de l’acide aminé glutamique en valine en position 6 entraîne la perte du caractère hydrophile de l’hémoglobine. Cette mutation de gene entraîne la formation d’une hémoglobine S anormale chez les personnes atteintes, remplaçant l’hémoglobine A présente chez une personne normale (en pourcentages variables selon le degré gravité de la maladie). Cette hémoglobine S est insoluble dans l’eau : Elle devient donc hydrophobe après la mutation.

Ce caractère hydrophobe fait perdre la solubilité de l’hémoglobine. Ceci explique la forme falciforme (en croissant) du globule rouge favorisant la formation de caillots qui vont obstruer les petits vaisseaux (capillaires sanguins), conséquence d’une ischémie des tissus habituellement irrigués par ces capillaires. Ces thrombus provoquent des crises vaso-occlusives particulièrement douloureuses dans les muscles et des risques de complications organiques graves (squelette, rate, tube digestif, cerveau).

Le biomimétisme

L'hydrophobie au coeur des innovations

Introduction

Mimer la nature ?

Quelques exemples du biomimétisme dans l'industrie

Qu'est ce que l'hydrophobie ?