2° Le fonctionnement

a) Expériences

Afin de mieux comprendre le principe de l'effet lotus, nous avons réalisé des expériences.

La surface du lotus est parsemée de petites pointes de l'ordre du nanomètre. C'est une surface que l'on appelle à rugosité nanométrique. Nous avons donc tenté de recrée une surface comme celle-ci : nous avons déposé de la cire de bougie sur un becher retourné faisant office de plaque de verre lise. ( Voir le montage ) Une fois sèche, celle-ci est censée être rugueuse nanométriquement.

Nous avons testé cette surface avec de l'eau puis du cyclohexane.

Conclusion de l'expérience :

Cette surface est hydrophobe, elle repousse l'eau mais pas le cyclohexane.

Nous avons ensuite testé si le papier de verre qui est un papier rugueux était lui aussi hydrophobe.

Nous avons alors observé que l'eau était légèrement repoussée mais pas suffisamment pour couler à sa surface mais juste assez pour ne pas être absorbée comme le cyclohexane.

Nous avons ensuite testé notre papier de verre en l'imbibant de cyclohexane et là l'eau était totalement repoussée.

Conclusion de l'expérience :

Le cyclohexane est un solvant qui lui aussi repousse l'eau. Il y a donc deux phénomènes qui permettent de repousser l'eau : les surfaces rugueuses et certains solvant.

Les plumes de canards repoussent l'eau à l'aide d'une substance lipophile, c'est une substance huileuse soluble dans les corps gras et qui évite le contact avec l'eau.

En mettant en contact de l'huile avec de l'eau, on observe bien que ces deux produits évitent d'être en contact l'un à l'autre et sont donc par conséquent non-missible.

Les substances lipophiles et le cyclohexane ont une particularité en commun, ce sont des solvant apolaires. Ils évitent donc le contact avec les solvants polarisés tel que l'eau.

Conclusion :

On observe deux phénomènes responsables de l'effet lotus. Le premier est la superhydrophobie que l'on observe sur les plantes comme le lotus qui ont une surface à rugosité nanométrique. Le second est celui utilisé par les canards, les composés apolaires comme les corps gras ou le cyclohexane repoussent l'eau, c'est l'hydrophobie.

b) Hydrophobie

L'hydrophobie est le principe utilisé par les canards. C'est un principe chimique ou physico-chimique. Lors des expériences, on a observer qu'en rajoutant du cyclohexane sur du papier de verre que celui-ci repoussait beaucoup plus l'eau. Le cyclohexane est en fait un solvant apolaire. Tous les solvants apolaires sont hydrophobes.

L'eau est un solvant très polaire et cherche à interagir avec des molécules polaires. Les molécules polarisées créent donc des liaisons électrostatiques qu'on appelle liaisons hydrogènes avec les molécules d'eau.

Une molécule polaire est une molécule au seins de laquelle les charges électriques ne sont pas réparties équitablement. On parle de répartition spaciale des charges. La molécule possède alors un coté plus négatif électriquement que l'autre.
Cette répartition inéquitable est due à l'electronégativité différente des atomes, c'est à dire leur capacité à attirer les atomes d'une liaison covalente. ( Voir polarité )

Les molécules polaires réagissent fortement entre elles et sont très solubles. A l'inverse, elles ne réagissent pas avec les molécules apolaires qui, elles, ont une répartition spatiale des charges électriques uniforme.

Un solvant apolaire ne crée donc pas de liaisons hydrogènes avec l'eau car l'eau ne réagit qu'avec des solvants polarisés.

Les mollécules d'eau qui ne sont alors entravées par aucune interaction laissent libre court à leur tension superficielle et prennent alors une forme bombée vers le haut.

La tension superficielle est une force qui s'exerce à la limite entre deux milieux différents en raison des forces d'atraction et de répultion des molécules. Au seins du liquide, ces forces s'annulent mais à la surface de celui-ci, ce n'est plus le cas. Elles créent alors la forme bombée que l'on peut observer à la surface de l'eau. C'est également elle qui donne la forme d'une goutte à l'eau lorsqu'elle est dans un milieu gazeux, cette force contraint l'eau à n'avoir qu'une petite surface de contact, la forme d'une sphère est alors privilégiée car c'est la forme qui possède la plus petite surface de contact.

De cette forme on peut définir ce qu'on appelle un angle de contact qui varrie en fonction de l'étallement de la goutte d'eau. La loi de Cassie indique qu' un angle de contact supérieur à 90° ne permet pas à l'eau d'adhérer. Entre 90° et 150°, on dit que la surface est hydrophobe ( au-delà de 150°, elle est superhydrophope ).

La forte tension superficielle de l'eau fait que l'angle de contact dépasse pratiquement toujours les 90° lorsqu'aucune force de cohésion n'intervient entre l'eau et son milieu.

Conclusion :

Les solvants apolaires sont hydrophobes, en effet, ils ne réagissent pas avec l'eau, ce qui entraine que la forte tension superficielle de l'eau donne à celle-ci une forme sufisament bombée pour que ces solvants soient hydrophobes.

c) Superhydrophobie

La superhydrophobie est quant à elle un principe physique. Les surfaces superhydrophobes sont en fait des surfaces à revêtement nanométrique comme celles du Lotus. Un revêtement nanométrique est caractérisé par sa rugosité, on dit que c'est une rugosité nanométrique.

La loi de Cassie indique qu'une surface possédant un angle de contact supérieur à 150° est superhydrophobe, l'eau n'y adhère pas.

Cette loi explique aussi que plus une surface est "grossière", plus l'angle de contact est grand. En effet, moins il y a de contact avec la surface solide, plus l'angle de contact est grand.

Explications :

Dans la formule de la loi de Cassie, représente la surface du milieu solid en contact avec l'eau. Plus il est petit, plus le résultat ( cos ) est petit. Plus le cosinus est petit, plus l'angle est grand.

Exemples :
cos(90) = 0
cos(10) = 0.98

Donc plus est petit, plus , l'angle de contact est grand.

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.

On peut voir sur cette annimation une goutte d'eau tomber sur une surface rugeuse, elle glisse alors sur la surface emportant avec elles les poussières et particules.