Les ailes de papillon sont caractérisées par des écailles ressemblant à des galets (ci-dessus), qui empêchent l'eau de s'accumuler, et microsillons (ci-dessous), qui repoussent l'eau et réduisent l'adhérence de surface. Ces caractéristiques aident à garder la surface exempte de débris et de contaminants. Crédit :Image au microscope électronique à balayage (en haut) et rendu du profileur optique (en bas), avec l'aimable autorisation de Bharat Bhushan et Greg Bixler, Université d'État de l'Ohio
Avec 3,5 milliards d'années de recherche et développement à son actif, Mère Nature pourrait être considérée comme l'ingénieure biologique la plus expérimentée au monde. Sûr, ses méthodes peuvent parfois sembler aléatoires, mais ses antécédents en matière de développement d'organismes parfaitement adaptés aux tâches qui leur sont confiées sont tout simplement incroyables.
Une tâche à laquelle elle s'est particulièrement consacrée est de trouver des moyens de garder ses créations exemptes de débris et de contaminants. Il n'est donc pas surprenant que les ingénieurs d'aujourd'hui se tournent vers la nature pour s'inspirer du "biofouling, " ou l'accumulation indésirable de matériel biologique, qui afflige un large éventail d'industries.
Une étude récente menée par des chercheurs de l'Ohio State University a révélé que les feuilles de riz et les ailes de papillon utilisent certaines caractéristiques de surface uniques qui favorisent l'autonettoyage. Les chercheurs pensent que l'incorporation de certaines de ces caractéristiques dans des produits fabriqués par l'homme pourrait être la clé pour résoudre les problèmes associés à l'encrassement biologique.
"La nature vivante est pleine de merveilles d'ingénierie, de la micro à la macro échelle, qui ont inspiré l'humanité pendant des siècles, " dit Bharat Bhushan, auteur principal de l'étude et directeur du laboratoire Nanoprobe pour la bio- et la nanotechnologie et la biomimétique à l'Ohio State University.
Envisager, par exemple, que pendant qu'un navire s'enlise dans les balanes lorsqu'il traverse l'océan, un requin nageant dans le même océan reste propre comme un sifflet. L'une des raisons à cela est que la peau de requin est composée d'un type spécial d'écailles recouvertes de nervures qui réduisent la friction lorsque le requin se déplace dans l'eau. La friction réduite signifie que l'eau s'écoule plus rapidement à travers la surface, ce qui rend difficile la prise en main des auto-stoppeurs microscopiques. Ce phénomène est appelé effet peau de requin. La feuille de lotus, d'autre part, maintient sa propreté grinçante avec une structure de surface cireuse qui repousse l'eau, une propriété appelée superhydrophobie. Combiné à une faible adhérence, c'est ce qu'on appelle l'effet lotus.
L'étude de septembre 2012, publié dans la revue Matière molle par Bhushan et l'étudiant diplômé en génie Greg Bixler, montre que les feuilles de riz et les ailes de papillon combinent la faible traînée de la peau de requin avec la superhydrophobie de la feuille de lotus, plaçant ces surfaces en tête de liste des autonettoyants fabriqués par la nature.
Les feuilles de riz sont caractérisées par des bosses cireuses (ci-dessus), qui repoussent l'eau et empêchent les contaminants d'adhérer à la surface, ainsi que des rainures (ci-dessous) qui empêchent l'eau de s'accumuler à la surface. L'intégration de ces caractéristiques dans des produits fabriqués par l'homme pourrait aider les ingénieurs à lutter contre l'accumulation biologique indésirable dans une grande variété d'industries. Crédit :Image au microscope électronique à balayage (en haut) et rendu du profileur optique (en bas) avec l'aimable autorisation de Bharat Bhushan et Greg Bixler, Université d'État de l'Ohio
L'idée de regarder les feuilles de riz et les ailes de papillon est venue aux enquêteurs en observant ces structures dans leurs habitats naturels.
"Nous avons remarqué que les gouttelettes d'eau sur les feuilles de riz et les ailes de papillon roulent sans effort, et que chacun reste propre dans son environnement respectif, " dit Bhushan.
Ce constat a conduit les enquêteurs à soupçonner que, comme la peau de requin et les feuilles de lotus, les feuilles de riz et les ailes de papillon ont des propriétés particulières qui les rendent particulièrement résistantes à l'encrassement.
Avant de pouvoir commencer, ils ont dû tenir compte du fait que ces deux structures sont incroyablement délicates, ce qui les rend difficiles à travailler dans un cadre expérimental. Pour cette raison, ils ont commencé par créer des répliques des deux surfaces. Du silicone a été versé sur de vraies feuilles et ailes, créant un moule "négatif" qu'ils ont ensuite utilisé pour créer une réplique en uréthane mieux adaptée aux tests rigoureux que les enquêteurs avaient en tête. Certaines répliques ont également reçu un revêtement de silice pour reproduire les propriétés superhydrophobes des structures naturelles.
Ils ont ensuite soumis les répliques à des expériences conçues pour déterminer avec quelle efficacité elles se déplaçaient dans l'air (traînée), à quel point ils se sont débarrassés des contaminants (autonettoyage), à quel point les contaminants se sont-ils collés à la surface (adhérence), et dans quelle mesure ils retenaient ou repoussaient l'eau (mouillabilité). Comme la peau de requin, les feuilles de riz et les ailes de papillon présentaient une faible traînée et des propriétés autonettoyantes. Mais ces deux échantillons étaient spéciaux d'une manière importante :ils présentaient des propriétés semblables à celles du lotus, notamment une superhydrophobie et une faible adhérence. Cet effet a été amplifié dans les échantillons enrobés, qui a surpassé les échantillons non revêtus dans chaque test.
Bixler attribue ces résultats à la structure unique de chaque surface.
"Les feuilles de riz et les ailes de papillon contiennent des caractéristiques de taille micro et nanométrique qui repoussent et dirigent l'eau dans une direction, ", dit Bixler. "Ceci est accompli avec une combinaison de rainures et de bosses qui sont invisibles à l'œil nu."
En montrant que les feuilles de riz et les ailes de papillon combinent les propriétés antisalissures de certains des meilleurs autonettoyants de la nature, Bhushan et Bixler ont identifié de nouvelles surfaces qui peuvent être utilisées comme source d'inspiration pour un large éventail d'industries en proie à l'encrassement biologique. Empêcher l'accumulation de matière biologique sur la coque d'un navire, par exemple, pourrait augmenter l'efficacité du mouvement du navire, conduisant finalement à une utilisation plus efficace du carburant. Aussi, réduire l'accumulation de bactéries et d'autres microbes dans les tubes médicaux pourrait réduire considérablement le risque d'infection d'un patient.
« Nous étudions des méthodes pour fabriquer des films inspirés des feuilles de riz et des ailes de papillon pour des applications nécessitant une faible traînée, autonettoyant et antifouling, " disent Bhushan. Les enquêteurs espèrent que l'utilisation de tels films dans diverses industries, y compris les soins de santé, expédition et fabrication de pointe, réduira les coûts et améliorera la qualité.
