2) Auto-nettoyage

2.1) Principe de l'auto-nettoyage et fonctionnement :

 

Historique

Bien que le phénomène de l’auto-nettoyage du lotus soit connu en Asie depuis au moins 2000 ans, ce n’est que depuis le début des années 70 avec l’introduction du microscope électronique que le phénomène lotus a été étudié par le botaniste Wilhelm Barthlott . À l’origine, les travaux ont été surtout conduit sur la capucine, une autre plante hydrophobe. La première analyse scientifique fondamentale eut lieu sur les feuilles de lotus en 1997.

 Principe

La feuille de Lotus ne se contente pas de repousser l’eau, elle utilise son caractère hyperhydrophobe pour se débarrasser de tout ce qui la souille (les poussières et les particules principalement). Pour cela, le Lotus met à profit une propriété physique de l’eau, une sorte d’« aimantation » qu’elle exerce sur toute particule légère en contact avec elle : lorsqu’il pleut, le lotus repousse l’eau  qui roule sur sa feuille, elle emporte ainsi tous les contaminants de la surface sur lesquels elle a roulé.  Le lotus se sert aussi de la rugosité nanométrique de sa surface pour éliminer les poussières et les saletés qui obstruent ses feuilles et qui pourraient l'empêcher d'effectuer sa photosynthèse. Cet étonnant caractère est appele la capacité d'autonettoyage.

  

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Le Lotus a mit en place cet effet autonettoyant pour se protéger contre toute colonisation ennemie comme des microorganismes, des agents pathogènes, des germes comme les champignons ou encore des algues car nous savons que le lotus vit dans des zones marécageuses et elle doit effectuer sa photosynthèse donc pour éliminer toutes les salissures, elle utilise son effet autonnetoyant.

Apres avoir pris connaissance de ce curieux phénomène, les scientifiques ont tout de suite voulu reproduire ces caractéristiques pour améliorer notre vie de tous les jours. Le phénomène de l'autonettoyage peut servir dans plusieurs domaines: dans les taches mènagères telles que le nettoyage de la vaisselle, des latrines.. et tout autre objet usuel. Il suffit de rincer avec de l'eau. 

Fonctionnement

Le fonctionnement de l'autonettoyage se produit généralement en 2 étapes:

 1ère étape : La photocatalyse :

 Le soleil (rayonnement UV) va produire une réaction chimique avec notre vitre recouverte de dioxyde de titane et l’oxygène. Cette réaction va produire des molécules très oxydantes comme de l’hydroxyde ou de l’oxygène. Ces molécules vont accélérer la décomposition  des poussières présentent sur la vitre. Les saletés vont devenir de plus en plus petite, elles seront rongées par ces oxydants. L’oxyde de titane sert donc de catalyseur à la réaction d’oxydation des saletés. Le dioxyde de titane est donc recyclable, il a une durée de vie de 3 à 5 ans sur une vitre. 

 

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Etapes 2 : Hydrophilie

Nous savons que lorsque que nous déposons du dioxyde de titane sur une vitre, celle-ci décompose les particules en petites salissures grâce à la photocatalyse. Ainsi quand il pleut les gouttes vont s’étaler sur les vitres de façon à créer un film d’eau .Par gravité c’est à dire par son poids, ce film va pouvoir s’écouler uniformément et vont donc emporter toutes les  petites salissures qui se trouvent sur la vitre.

 

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L’association de ces deux effets va faire de cette vitre, une vitre autonettoyante. Les poussières organiques présentes sur la surface de  la vitre sont d’abord décomposées par la photocatalyse puis éliminées par la pluie. La photocatalyse fonctionne même par temps nuageux, en effet les rayons UV de la lumière naturelle sont suffisamment abondants pour que la couche de TiO2 puisse remplir sa fonction.

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2.2) Nos expériences et l'exemple du verre autonettoyant

Pour démontrer l’utilité des vitres autonettoyantes d’aujourd’hui, nous avons fait 2 expériences en laboratoire. Celles ci consistent tout d’abord a montrer quel produit ménagé est le plus hydrophobe et d’autre part observer la réaction de quelques ingrédients au contact de la surface du lotus.

Notre protocole de la 1ere expérience est le suivant :

  • - Incliner une vitre avec un angle de 30 degrés sur votre paillasse.
  • - Appliquer les produits ménagers comme la vaseline, un après l’autre sur cette surface.
  • - Verser de la compote de fruits (car eau trop fluide) sur la vitre et chronométrer le temps qu’elle prend pour parcourir les 30 cm voulu.
  • -Refaites ce même processus plusieurs fois pour calculer plusieurs moyennes de vitesse.

 Nous avons obtenu les résultats suivants avec le calcul v=d/t :

 Sur une vitre vierge : la vitesse de la compote est de 2,2 cm par seconde.

Avec le beurre elle est de 6,7 cm/seconde.

Avec l’huile elle est de 6,3 cm/seconde.

 Nous avons ensuite colles une feuille de lotus a la vitre pour reproduire cette expérience car nous ne possédons aucun spray super hydrophobique a base de dioxyde de titane.Le résultat a été très concluant, la compote a parcouru les 30 cm a une vitesse d’environ 17cm/seconde. Elle est donc largement plus super hydrophobe que certains produits ménagers.Le spray de dioxyde de carbone est donc un produit revolutionnaire (ici le lotus).

 Nous avons aussi fait une 2eme petite expérience :

Matériaux utilises : Microscope et une feuille de lotus.

Nous voulions observer les nanoparticules présentent sur cette feuille mais le microscope du laboratoire n’était pas assez performant.

Voici une video qu'on a effectue pour montrer les surprenants effet du lotus.

L'exemple du verre autonettoyant :

Un verre autonettoyant est un verre ordinaire qu’on applique alors une couche de dioxide de titane qui a les memes effets que le lotus. Ce verre se sert de la photocalyse et de l’hydrophilie pour rester propre. En effet, il utilise la double action des rayons ultra-violets de la lumière du jour et de l’eau pour éliminer les saletés accumulées sur la face extérieure du vitrage. L’exposition aux rayons ultra-violets provoque la décomposition des saletés organiques (photocatalyse) et rend la surface hydrophile. Puis l’eau de la pluie va adhérer à la vitre tout en collectant les saletés et les poussières présentes. Ce verre autonettoyant est efficace pendant 3 a 5 ans. Ensuite il faudra appliquer une nouvelle couche de dioxyde de titane.



Inconvénients:

Malgrès une bonne efficacité, le dioxyde de titane peut être nocif pour la santé. Sous forme micrométrique, les poussières de dioxyde de titane sont source d'irritation oculaire et des voies respiratoires.

  L'écotoxicité des formes nanométriques est à ce jour mal connue. et n'a été étudiée qu'en laboratoire sur des animaux et quelques plantes, car ces produits ne sont diffusés dans l'environnement que depuis peu de temps.

 Inconvénients du verre autonettoyant:

 Les revêtements photocatalytiques ne dégradent que les salissures organiques. C’est pourquoi les salissures minérales peuvent avoir tendance à recouvrir progressivement le revêtement et risquent au bout d’un certain temps de le « désactiver ». Ce qui explique que la durée de vie maximal d’un verre auto-nettoyant est d’environ 5ans.

L’autre inconvénient est que l’application du dioxide de titane nécessite un investisment supplémentaire qui peut décourager les éventuels investisseurs. 


2.3) L'effet lotus une aide pour le quotidien et les exemples de biomimetisme:

L’effet lotus est indéniablement une aide pour le quotidien. Il permet avec ses principes physico-chimiques le nettoyage naturel des vitres ou autres surfaces comportant un revêtement à base de dioxyde de carbone. Ainsi il supprime la lourde tâche quotidienne de nettoyer les vitres de nos maisons, immeubles ou encore par brise de voiture et cela pour une durée moyenne de 3 à 5 ans. Vous bénéficiez aussi d'une bonne vision à travers vos vitrages, meme par temps de pluie. Par exemple, le verre autonettoyant de la société BIOCLEAN est déjà sur le marché.

Ce procédé évite donc l’utilisation régulière de produits nettoyants polluant et dangereux pour l’environnement. Si le projet de verre autonettoyant se propage à l’échelle mondiale alors des millions de litres de détergeant ne seront plus reverser dans notre atmosphère quotidiennement.  

Aujourd’hui, il existe plein d’exemple de bio mimétisme. Voici deux autres exemples révolutionnaires :

 

L’exemple du Shinkansen : le vol du hibou pour créer des trains moins bruyants.

 Malgré sa taille parfois imposante, le hibou est un des oiseaux dont le vol est le plus silencieux. Ce vol discret lui permet de capturer ses proies sans se faire repérer par ces dernières. Les chercheurs japonais ont imité les petites plumes dentelées  situé sur les ailes du hibou qui permettent d’atténuer considérablement les nuisances sonores.  Les chercheurs ont aussi imité le bec du faucon pour réduire la friction avec l’air, ce qui réduit aussi le bruit.

 L’exemple des plumes de paon :

 Constituées de kératine et d'un pigment brun les plumes de paon permettent à la lumière de se refléter. Leur structure joue avec la lumière pour créer l'impression de couleurs chatoyantes par ce que l'on appelle le procédé de "diffraction de la lumière".

 Une entreprise japonaise s'est inspirée de ce principe pour développer des panneaux d'affichage durables : leur surface sans pigment est modifiée sous l'effet des ultraviolets qui changent l'alignement des cristaux et affichent ainsi le message souhaité. Les messages se renouvelant seuls, nul besoin de remplacer sans cesse les vieilles affiches par des nouvelles.


Ross Nanotechnology's NeverWet superhydrophobic spray-on coating

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