L’hydrophobie, signifie repousser l'eau, c’est une propriété qui s’avère utile dans de très nombreuses industries. On pense naturellement au textile, mais saviez-vous que les propriétés hydrophobes peuvent également servir à éviter la prolifération de bactéries ou les nuisances sonores ? Ici encore, le monde vivant nous étonne par son inventivité lorsqu’il s’agit d'utiliser ses talents hydrophobes.
Hydrophobie : sol glissant, attention à ne pas tomber !
Hydrophobe, imperméable, étanche, comment s’y retrouver ?
Que vous soyez randonneur du dimanche ou bricoleur aguerri, vous avez sans doute déjà été confronté à cette multitude de termes techniques vous expliquant que votre nouvelle veste Gore-tex ou que le nouvel enduit pour la terrasse sont “résistants à l’eau”, “hydrophobes”, “imperméables”.... Vous êtes un peu perdu ? Ne vous inquiétez pas, même la fourmi du désert, plus efficace qu'un GPS, serait ici désorientée. Remettons un peu d’ordre dans cette fourmillière :
Un matériau est dit hydrophobe s'il ne se dissout pas dans l'eau et la repousse, elle ne peut pas le pénétrer. On parle également de superhydrophobie dans les cas les plus marqués. Une notion sans doute plus connue est celle d'imperméabilité. Cette fois-ci, on parle d'un matériau qui se laisse traverser par un corps déterminé, pas nécessairement l'eau. Ainsi, dans l'industrie textile, certains vêtements imperméables à l'eau doivent rester très respirants, et sont donc perméables au gaz. Toujours dans cette même industrie, nous entendons souvent parler de l’aspect déperlant, dans le cas d’une veste de randonnée Gore-Tex par exemple. Cela signifie que le matériel hydrophobe utilisé laisse l'eau glisser à sa surface. Enfin, on dit qu'un matériau est étanche quand il est imperméable à tout corps !
Ces caractéristiques bien particulières ne sont cependant pas le pur produit de l’homme. Les plantes, les animaux, ainsi que toutes sortes de micro-organismes les maîtrisaient déjà depuis plusieurs centaines de millions d’années. Dans la nature, les propriétés hydrophobes sont omniprésentes et rendent de très nombreux services aux êtres vivants qui les arborent : lutte contre les maladies, auto-nettoyage, meilleure captation d’énergie, rapidité de déplacement accrue, les possibilités sont infinies. Avant de mieux comprendre son utilité dans le monde vivant et les innombrables innovations développées par l’homme qui en découlent, arrêtons-nous deux minutes sur le mécanisme technique sous-jacent.
Comment les gouttes d’eau restent-elles à la surface d’un matériau hydrophobe ?
L’hydrophobie d’un matériau dépend principalement de deux facteurs :
D’un côté, la composition du matériau qui doit présenter certaines caractéristiques chimiques permettant de repousser les molécules d’eau (une histoire pas si lointaine de celle des ours polaires paraît-il, que vous pouvez explorer ici)
De l’autre, la texture du matériau, c'est-à-dire la morphologie de surface du matériau, qui peut présenter une alternance de picots et de trous qui empêchent la goutte d’eau de s’étaler.
En fonction de ces deux facteurs, différents degrés d’hydrophobie sont observables, la goutte d’eau ayant alors une surface de contact plus ou moins grande avec le matériau considéré. En fonction de l’angle de contact avec la surface, un matériau sera alors considéré comme hydrophobe ou superhydrophobe (angle de contact > 120°).
Maintenant que vous êtes devenus incollables sur les principes de l’hydrophobie, voyons quelles en sont les utilisations et applications dans le monde qui nous entoure.
L'hydrophobie, quand la nature se jette à l'eau sans se mouiller
Les propriétés hydrophobes sont surtout présentes dans le monde végétal très en contact avec l’eau : au niveau des fleuves, des étangs, des tourbières. On a par exemple tous déjà été émerveillé(e) en tant qu’enfant par l’eau se déplaçant avec très grande facilité sur les feuilles de lotus. Ce phénomène est lié à la structuration très particulière de sa feuille, à l’échelle du milliardième de mètre. Son petit nom, “effet lotus”, est un des exemples les plus connus lorsqu'on parle de biomimétisme et d’hydrophobie. Pourtant de très nombreux autres végétaux ont la même propriété, comme les feuilles de capucines, les roseaux, ou encore le chou. N’oublions pas non plus le règne animal avec, par exemple, les oies, les canards, les faisans et leurs plumes superhydrophobes qui leur permettent de rester constamment au sec et de s’envoler quand bon leur semble. On peut également penser à la musaraigne aquatique : son pelage lui permet de pêcher des heures sans être mouillée en emprisonnant des bulles d’air qui forment une couche de protection entre son corps et l’eau. N’hésitez pas aussi à jeter un œil du côté du papillon morpho, fascinant à bien des égards, et pas uniquement pour ses ailes superhydrophobes.
Finalement, ce n’est pas tant par cette capacité de repousser l’eau que la nature nous surprend, que par son imagination sans limite lorsqu'il s’agit d’utiliser cette appétence comme un super-pouvoir. Voyons ensemble quelques exemples des plus surprenants qui renvoient les super-héros Marvel dans les cordes.
L’argyronète aquatique, comment respirer sous l’eau sans tuba ?
Dès la fin du XVIIIème siècle, afin d’aller toujours plus loin dans l’exploration de la Terre et de pouvoir partir sans encombre à la découverte des profondeurs marines, l’homme inventa le scaphandre. L’argyronète aquatique, de son côté, n’a besoin ni de métal, ni de verre, ni d’aucun autre matériau pour aller explorer son terrain de chasse préféré. Pour évoluer sous l’eau sans limite, cette araignée utilise son abdomen comme scaphandre naturel. Celui-ci regorge d’ingéniosité : recouvert de poils très fins orientés dans la même direction, tous recouverts d’une cire sécrétée par notre amie plongeuse, l’abdomen est capable de piéger une fine couche d’air tout autour de lui-même. L'araignée peut alors respirer comme un poisson dans l’eau grâce aux petites ouvertures situées sur son thorax qui viennent puiser le dioxygène présent dans la bulle d’air créée.
Artiste accomplie, l’argyronète aquatique est finalement plus amie avec les poissons qu’avec les autres animaux terrestres de notre espèce car elle construit même son nid sous l’eau en piégeant un réservoir de bulles d’air sous certaines plantes aquatiques. Elle peut alors passer des heures dans son terrain de jeu préféré sans avoir à remonter à la surface. Regardez-la faire, c’est impressionnant !
Comment parler de cette araignée scaphandrier sans penser aux talents d’une autre des ses congénères qui marchait déjà sur l’eau bien avant Jésus Christ ? Si vous êtes curieux, c’est par ici !
Le lotus se fait mousser : il est autonettoyant.
Le terme “lotus” a longtemps désigné un très grand nombre de plantes, arbres, arbustes ou herbes, terrestres ou aquatiques. Aujourd’hui, lorsque nous employons ce terme, nous faisons en fait référence au lotus sacré. A l’instar de nombreux autres végétaux qui vivent à la surface de l’eau, il est capital pour le lotus de pouvoir interagir avec perfection avec cet élément omniprésent autour de lui : l’eau.
Ainsi, les feuilles de lotus présentent des propriétés hydrophobes (et même superhydrophobes) tout à fait remarquables qui assurent la survie de l’espèce. Cette propriété, assurée par la présence d’un réseau de micro-poils organisés de telle manière à empêcher les gouttes d’eau d’adhérer à la surface de la feuille, rend principalement deux services fondamentaux à la plante :
D’une part, elle permet à la feuille de toujours rester à la surface de l’eau et de devenir insubmersible, même en cas de vagues provoquées par certains animaux ou de très fortes pluies. Le lotus peut ainsi toujours capter la lumière du soleil, élément nécessaire à la photosynthèse et donc à sa croissance. La feuille est également structurée de telle manière à pouvoir évacuer l’eau facilement afin qu’elle ne stagne pas à sa surface.
De l’autre, L’hydrophobie du lotus garantit la bonne santé du végétal : lorsque les gouttes d’eau circulent à la surface de ses feuilles, elles emportent avec elles les impuretés et les bactéries présentes. Cette faculté favorise également la photosynthèse en maximisant la surface libre de tout dépôt des feuilles. Regardez par vous-même : fascinant, n’est ce pas.
Feuille de lotus autonettoyante - Crédits : William Thielicke
Repousser les limites technologiques en observant la nature repousser l’eau
Évidemment, l’homme n’est pas resté au stade de l’observation en la matière, les propriétés hydrophobes présentes dans le vivant sous des formes très différentes ont inspiré des innovations dans de nombreux secteurs industriels, dont voici un petit florilège.
Quand l'araignée d'eau nous inspire pour fabriquer un nouvel isolant acoustique
À première vue, on ne voit pas immédiatement le lien entre notre amie l’argyronète aquatique, connue pour respirer sous l’eau en transportant des bulles d’air, et un isolant acoustique (matériau ayant pour objectif d'atténuer ou supprimer la propagation des bruits, comme les isolants que nous mettons dans les murs de nos appartements par exemple). Pourtant, c’est le propre du biomimétisme : comprendre en détail un phénomène biologique dans un contexte particulier et aller rechercher dans quel cas d’application industriel on pourrait s’en inspirer, qui est alors souvent bien loin de son utilisation faite dans la nature.
Afin de créer ce nouveau matériau isolant, les scientifiques de l’académie des sciences chinoise ont utilisé la propriété superhydrophobe de l'abdomen de l’araignée pour fabriquer un moule en silicone superhydrophobe à la géométrie bien particulière. Dans un premier temps, on va déposer une fine couche d’eau sur ce moule, puis venir compresser l’eau avec une plaque en verre. L’eau ne pourra alors pas entrer dans les petites aspérités du moule en silicone superhydrophobe et l’air présent à l’intérieur sera piégé sous forme de bulles.
Finalement ce sont ces bulles d’air piégées dans ce nouvel isolant constitué de silicone et de verre qui vont venir bloquer les ondes sonores. On pourrait alors imaginer l’utiliser pour isoler certains murs dans nos appartements ou pour agir directement à la source de la nuisance sonore afin de stopper ou mieux orienter le son (tondeuse, enceinte musicale, climatisation…)
Nouveau défi : récupérer l’eau du brouillard grâce au scarabée du désert et à la plante carnivore, une idée ?
Souvent le biomimétisme ne se focalise pas sur une seule espèce, mais tente de mettre à profit de manière conjointe les caractéristiques de plantes, d’animaux, de micro-organismes bien différents pour le développement d’une seule technologie. C’est le cas ici, où des chercheurs de l’université de Donghua en Chine ont utilisé les propriétés très précieuses de trois êtres vivants différents pour optimiser leur technologie de collecte d’eau.
Le scarabée du désert utilise ses ailes rigides (élytres) afin de récupérer l'eau présente dans l'air. Les rugosités de l’aile présentent une partie hydrophobe (dans les creux) et hydrophile (sur les bosses). Les gouttes d'eau liquide présentent dans l’air sous forme de brume, se déposent alors sur les bosses et sont acheminées grâce aux creux jusqu'à la bouche de l'insecte. Pour le collecteur de brouillard, une nanofibre a été développée reproduisant ces bosses et ces creux afin de capter l’eau condensée dans l’air sous forme de micro gouttelettes.
La néphentès alata (plante carnivore), de son côté, utilise son talent hydrophobe pour piéger les insectes attirés par son nectar, qui glissent tout droit jusqu’à son système de digestion, sans pouvoir se rattraper (pour en savoir plus sur les Nepenthes Alata et sa surface anti-adhésive, c’est par ici) En s’inspirant des propriétés chimiques de cette substance sécrétée par la plante carnivore, un matériau glissant et très hydrophobe a été développé. Il permet d'évacuer rapidement l’eau récupérée des zones d'accumulation afin de diminuer les pertes par évaporation et donc d’augmenter la quantité d’eau récoltée.
Ce collecteur pourrait par exemple changer la donne dans les pays chauds en permettant d’avoir un nouvel accès facile à cette ressource rare qu’est l’eau. Par exemple, dans l’agriculture, il permettrait de récolter l’eau la nuit et de l'utiliser le jour pour l’irrigation des cultures.
Bioxegy n’est pas en reste sur le sujet : L’hydrophobie ou comment réduire l’impact environnemental d’un client du BTP en s’inspirant de l’effet lotus ?
Voici un cas d’usage rencontré avec l’un de nos clients : Alphi, entreprise du BTP, utilise régulièrement des poutrelles en aluminium qui servent de moule pour le coffrage du béton. Le problème : lorsque le béton sèche, un résidu adhère aux poutrelles. Au fil des usages le dépôt devient si important qu’il rend inutilisables les poutrelles, demandant alors de les remplacer.
Bioxegy a repéré un système biologique de référence particulièrement efficace : les feuilles de lotus, de chou ou encore de capucine présentent une structure hydrophobe (texturation de surface à l’échelle micrométrique) qui pourrait empêcher le béton d'adhérer aux poutrelles lors de son séchage. En partenariat avec un laboratoire des Ponts et Chaussées, nos ingénieurs ont développé un traitement chimique, qui confère une structure de surface quasi-similaire à celles des feuilles de lotus et qui empêche donc le béton d’adhérer. Les poutrelles restent ainsi toujours propres et donc réutilisables, ce qui rallonge considérablement leur durée de vie. Au-delà de l’avantage économique pour l’entreprise, ce sont surtout plusieurs tonnes d’aluminium qui sont économisées chaque année.
Une goutte d’eau dans l’océan…
Prenons un peu de recul sur ce que nous venons de présenter : sachant que les biologistes estiment que 8,7 millions d’espèces peuplent notre planète et que nous n’en avons aujourd’hui décrit et répertorié moins de 2 millions, nous comprenons très rapidement qu’il reste encore d’innombrables technologies à développer en s’inspirant du vivant et de sa manière d’utiliser ses propriétés hydrophobes.
En tant qu’industriel, si vous avez des problèmes de corrosion, de prolifération de bactéries, de lubrification, d’imperméabilité, ne cherchez plus, votre solution se trouve sûrement sous vos yeux.