Un coléoptère du désert du Namib en Afrique utilise son dos texturé pour recueillir l'eau potable du vent matinal rempli de brouillard. Si les chercheurs peuvent effectuer un certain biomimétisme des coléoptères, cela signifierait une nouvelle source d'eau dans les zones sèches. Crédit :James Anderson (CC BY-NC-SA 2.0)
Dans le désert du Namib en Afrique, le vent du matin rempli de brouillard transporte l'eau potable pour un coléoptère appelé le Stenocara.
De minuscules gouttelettes s'accumulent sur le dos bosselé du scarabée. Les zones entre les bosses sont recouvertes d'une substance cireuse qui les rend hydrofuges, ou hydrophobe (craignant l'eau). L'eau s'accumule sur les amoureux de l'eau, ou hydrophile, bosses, formant des gouttelettes qui finissent par devenir trop grosses pour rester en place, puis rouler sur la surface cireuse.
Le coléoptère étanche sa soif en inclinant son dos vers le haut et en sirotant les gouttelettes accumulées qui tombent dans sa bouche. Incroyablement, le coléoptère recueille suffisamment d'eau grâce à cette méthode pour boire 12 pour cent de son poids corporel chaque jour.
Il y a plus d'une décennie, La nouvelle du système efficace de collecte d'eau de cette créature a inspiré les ingénieurs à essayer de reproduire ces surfaces en laboratoire.
Des avancées à petite échelle en physique des fluides, l'ingénierie des matériaux et les nanosciences depuis lors les ont rapprochés du succès.
Ces petits développements, cependant, ont la perspective de conduire à des changements à grande échelle. Comprendre comment les liquides interagissent avec différents matériaux peut conduire à des procédés et produits peu coûteux, et pourrait même conduire à des ailes d'avion imperméables à la glace et à des vitres autonettoyantes.
Beetle bosses dans le laboratoire
En utilisant diverses méthodes pour créer des surfaces à motifs complexes, les ingénieurs peuvent fabriquer des matériaux qui imitent étroitement le dos du scarabée.
"Il y a dix ans, personne n'avait la capacité de modeler des surfaces comme celle-ci à l'échelle nanométrique, " dit Sumanta Acharya, un directeur de programme de la National Science Foundation (NSF). "Nous avons observé des surfaces naturellement hydrophobes comme la feuille de lotus pendant des décennies. Mais même si nous le comprenions, que pourrions-nous faire à ce sujet ?"
Ce que les chercheurs ont fait, c'est créer des surfaces qui excellent à repousser ou à attirer l'eau qu'ils ont ajouté un "super" au début de leur description :superhydrophobe ou superhydrophile.
De nombreuses surfaces superhydrophobes créées par des revêtements chimiques sont déjà sur le marché (chaussures hydrofuges ! chemises ! iPhones !).
Cependant, de nombreux chercheurs se concentrent sur les matériaux avec des éléments physiques qui les rendent superhydrophobes.
Ces matériaux ont des piliers de taille micro ou nanométrique, poteaux ou autres structures qui modifient les angles auxquels les gouttelettes d'eau entrent en contact avec leur surface. Ces angles de contact déterminent si une goutte d'eau perle comme une petite boule de cristal ou se détend un peu et repose sur la surface comme un milk-shake renversé.
En variant la disposition de ces surfaces, les chercheurs peuvent désormais piéger, diriger et repousser de petites quantités d'eau pour une variété de nouvelles fins.
"Nous pouvons maintenant faire des choses avec des fluides que nous imaginions seulement auparavant, ", explique l'ingénieur en mécanique Constantine Megaridis de l'Université de l'Illinois à Chicago. Megaridis et son équipe ont obtenu deux subventions NSF de la Division of Chemical de la Direction de l'ingénierie, Bio-ingénierie, Systèmes environnementaux et de transport.
« Les développements nous ont permis de créer des appareils – des appareils ayant le potentiel d'aider l'humanité – qui font les choses bien mieux que jamais auparavant, " il dit.
Megaridis a utilisé ses dessins inspirés des scarabées pour mettre des des motifs texturés sur des matériaux bon marché, fabrication de circuits microfluidiques.
Les bandes de plastique avec des centres superhydrophiles et un environnement superhydrophobe qui combinent ou séparent des fluides ont le potentiel de servir de plates-formes pour des tests de diagnostic (voir "La chevauchée des gouttelettes d'eau").
"Imaginez que vous vouliez apporter des gouttes de sang ou d'eau ou tout autre liquide à un certain endroit, " explique Megaridis. " Tout comme une autoroute, la route est la bande de descente du liquide, et il finit par s'accumuler dans un réservoir de stockage de fluide à la surface." Le réservoir de stockage pourrait contenir un agent réactif. Le personnel médical pourrait utiliser les bandelettes jetables pour tester sur le terrain des échantillons d'eau pour E. coli, par exemple.
De tels appareils, créés dans des laboratoires d'ingénierie, font maintenant leur chemin vers le marché.
L'eau, de l'eau dans l'air
NBD Nanotechnologies, une entreprise basée à Boston financée par le programme de transfert de technologie des petites entreprises de la NSF, vise à augmenter la durabilité et la fonctionnalité des revêtements de surface à usage industriel.
Les matériaux superhydrophobes ont des piliers de taille micro ou nanométrique, poteaux ou autres structures qui modifient les angles auxquels les gouttelettes d'eau entrent en contact avec leur surface. Ces angles de contact déterminent si une goutte d'eau perle comme une petite boule de cristal ou se détend un peu et repose sur la surface comme un milk-shake renversé. En variant la disposition de ces surfaces, les chercheurs peuvent piéger, diriger et repousser de petites quantités d'eau pour une variété de nouvelles fins. Crédit :Constantine M. Megaridis, Aritra Gosh, Ranjan Ganguly, Génie mécanique et industriel, Université de l'Illinois à Chicago
L'une des applications les plus percutantes pour la recherche superhydrophobe ou hydrophobe est l'amélioration de l'efficacité de la condensation. Lorsque la vapeur d'eau se condense en un liquide, il forme généralement un film. Ce film est une barrière entre la vapeur et la surface, rendant plus difficile la formation d'autres gouttelettes. Si ce film peut être évité en éliminant les gouttelettes immédiatement après leur condensation, disons, avec une surface superhydrophobe - le taux de condensation augmente.
Les condensateurs sont partout. Ils sont dans ton réfrigérateur, voiture et climatiseur. Une condensation plus efficace permettrait à tous ces équipements de fonctionner avec moins d'énergie. Une meilleure efficacité est particulièrement importante dans les endroits où le refroidissement à grande échelle est primordial, comme les centrales électriques.
"NBD fabrique des revêtements plus durables qui couvrent de grandes surfaces, " déclare Sara Beaini, scientifique senior de NBD Nanotechnologies. " La durabilité est un facteur important, parce que lorsque vous travaillez au niveau micro, vous dépendez d'une structure de surface impeccable. Toute abrasion mécanique ou chimique qui déforme les structures de surface peut réduire considérablement ou éliminer rapidement les propriétés de surface avantageuses."
NBD, que vous avez peut-être deviné signifie Namib Beetle Design, s'est associé à Megaridis et à d'autres pour améliorer la durabilité, le principal défi dans la commercialisation de la recherche superhydrophobe. Les condenseurs de centrales électriques avec des revêtements hydrophobes ou superhydrophobes durables pourraient être plus efficaces. Et avec les pénuries d'eau et d'énergie qui se profilent, partnerships such as theirs that help to transfer this breakthrough from the lab to the outside world are increasingly valuable.
Other groups have applied hydrophobic patterning methods in clever ways.
Engineers look to nature to learn how to reduce the time it takes for a water droplet to bounce away from a surface. Lotus leaves, once considered the gold standard of superhydrophobic materials, are naturally water-repellant due to the tiny bumps on their surface. Photo taken at Meadowlark Botanical Gardens, Vienna, Va. Credit:Paloma E. Gonzalez
Kripa Varanasi, mechanical engineer at MIT and NSF CAREER awardee, has applied superhydrophobic coatings to metal, ceramics and glass, including the insides of ketchup bottles. Julie Crockett and Daniel Maynes at Brigham Young University developed extreme waterproofing by etching microscopic ridges or posts onto CD-sized wafers.
With all these cross-country efforts, many are optimistic for a future where people in dry areas can harvest fresh water from a morning wind, and lower their energy needs dramatically.
"If someone comes up with a really cheap solution, then applications are waiting, " said Rajesh Mehta, NSF Small Business Innovation Research/Small Business Technology Transfer program director.
