Biomimétique: collant comme un poulpe ou glissant comme un feuille de lotus ? Teach article

Traduit par Maurice A. Casimir. Astrid Wonisch, Margit Delefant et Marlene Rau presentent deux activités développées dans le cadre du projet autrichien ‘Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen’ pour rechercher comment la technologie est inspirée par la nature.

Ventouse de poulpe
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En 2004, Alice Pietsch, de l’Université de l’Education des Enseignants de Styriew1, Autriche, a été séduite par une démonstration simple, mais très visuelle, dans un musée des sciences. Un professeur de sciences retraité utilisait des soufflets pour pomper de l’air dans des poumons de mouton en les gonflant et les dégonflant de manière rythmée. La foule qui se pressait autour de lui était bien plus importante que celle entourant des expériences beaucoup plus ‘high-tech’ – ce qui amena rapidement Alice à créer un musée scientifique interactif.

Son rêve se concrétisa en 2008. En cinq mois, des étudiants et élèves de Styrie de tous âges développèrent 50 activités différentes à destination d’autres étudiants. L’exposition Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen (‘Science et Technologie à portée de la main’) fut organisée à la Haus der Wissenschaft (‘Maison de la Science’) de Graz, Autriche, les étudiants et élèves ainsi que leurs enseignants aidant les visiteurs pour chaque activité. Ce fut un énorme succès.

Feuille de lotus montrant ses
propriétés hydrophobiques

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La plupart des activités de l’exposition sont adaptées à la présentation en classe; nous présentons ci-après deux activités sur la biomimétique – l’application de phénomènes naturels à l’ingénierie et à la technologie. La bande Velcro, qui imite les graines crochues de la bardane, et les coques de bateau qui imitent l’épaisse peau des dauphins sont des exemples banaux. Les activités ci-après ont trait à des ventouses et à la super hydrophobie, toutes deux présentes dans la nature. Les activités ont été développées pour des élèves du secondaire (âgés de 10 à 15 ans), mais on peut facilement les adapter à des élèves et étudiants d’à peu près tous les âges et elles constituent une bonne opportunité pour regrouper physique, chimie et biologie.

Les activités peuvent demander chacune de cinq minutes à plus d’une heure en fonction du niveau de detail recherché. La collection complète des activités de l’exposition est disponible en version éditée en allemand auprès de Birgit Muhr (birgit.muhr@phst.at) pour €19 plus frais d’envoi.

Adhésion sur des surfaces planes :pression négative

Grenouille arboricole
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Les ventouses à usage domestique ont été inspirées par les plantes des pieds des grenouilles arboricoles et les tentacules des poulpes, dont la puissance de succion était déjà connue des anciens Grecs.

Nous utilisons ces ventouses sur des surfaces planes – pour fixer des crochets aux carreaux de la salle de bains ou pour stabiliser les appareils domestiques, et sur des tapis en caoutchouc dans le bac à douche ou pour des flèches de jeu de flèches. Mais pourquoi collent-elles ?

Si vous examinez attentivement une ventouse, vous notez qu’elle est légèrement incurvée. Cette courbure pourrait-elle avoir une importance pour le pouvoir d’adhésion de la ventouse ? Et pourquoi devons-nous humecter les ventouses avant de les utiliser ? Voyons cela.

Matériel

  • 4 ventouses (s’assurer qu’on peut y attacher un fil)
  • Petite scie à découper
Scie à découper
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  • Bâton de 50 cm, d’environ 3 à 4 cm de diamètre (les élèves doivent pouvoir le saisir facilement)
  • Quatre morceaux de fil fort de 50 cm
  • Paire de ciseaux
  • Panneau plastique (d’environ 1 x 1 m)
  • Marqueur indélébile

Protocole opératoire

  1. Faites quatre encoches équidistantes dans le bâton à l’aide de la scie à découper.
  2. Attachez un morceau de fil à chacune des quatre ventouses.
  3. Attachez les autres bouts des fils aux quatre encoches du bâton. Assurez-vous que les quatre longueurs de fil sont exactement les mêmes.
Mise en place de l’expérience
adhésion. On peut utiliser de
manière alternative une seule
ventouse et un morceau de
bois plus court (Voir au dos
de l’illustration)

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  1. Posez le panneau plastique sur le sol et utilisez le marqueur indélébile pour dessiner quatre cercles pour placer les ventouses en alignement. Dessinez une empreinte de pied sur chaque côté de la ligne (voir illustration à droite).
  2. Pressez les ventouses sur les quatre cercles.
  3. Répétez l’expérience en humectant les ventouses avant de les coller au panneau plastique. Qu’observez-vous ?
  4. Placez-vous sur les empreintes de pied et essayez d’enlever les ventouses du panneau en tirant sur le bâton.
  5. Qu’arrive-t-il à la courbure des ventouses lorsqu’elles sont collées au panneau plastique ?

Discussion

Lorsque vous presses la ventouse sur le panneau plastique, vous réduisez sa courbure, en réduisant par là même le volume de l’espace entre la ventouse et le panneau, et en amenant une partie de l’air entre la ventouse et le panneau à s’échapper. Lorsque vous cessez d’appliquer une pression, la ventouse élastique a tendance à retrouver sa forme courbée d’origine. Le volume dans la cavité entre la ventouse et le panneau est à nouveau augmenté, mais elle contient moins d’air et est donc à une pression moindre. La pression supérieure de l’air extérieur tient la ventouse collée au panneau.

Vous pouvez calculer la force de succion de la ventouse comme suit:

F = AP, où F: force; A: surface; P: pression.

La surface est πr2 où r est le rayon de la ventouse. La pression dans la cavité entre la ventouse et le panneau est négligeable devant la pression atmosphérique, qui est d’environ 100.000 Pa. Donc :

F = πr2 (100 000 Pa)

Le temps qu’il faudra à la ventouse pour se détacher d’elle-même (sans appliquer de force additionnelle) dépend à la fois de la porosité et de la planéité du bord de la ventouse et de la surface sous-jacente, ce qui détermine la vitesse d’échappement de l’air et le rééquilibrage de la pression.

L’eau, la salive et autres liquides sont efficaces pour scelle la ventouse, en la rendant plus étanche à l’air et en assurant son moindre échappement. Par conséquent, vous devez exercer un effort plus important pour détacher les ventouses si vous les humectez avant de les appliquer sur la surface.

Effet d’auto-nettoyage: l’hydrophobie dans la nature

Le bousier reste immaculé
même lorsqu’il se livre à son
passe-temps favori

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La nature a quelques véritables fanatiques de la propreté: les bousiers s’extirpent apparemment immaculés des bouses de vache, vous trouvez rarement un papillon ou une libellule sale, et certaines plantes réussissent très bien à se débarrasser de la saleté. Le lotus indien, par exemple, pousse dans des eaux boueuses, cependant aucune saleté ne s’accroche à ses feuilles ; en fait le lotus est symbole de pureté pour le Bouddhisme. Vous pouvez également trouver cet ‘effet lotus’ plus près de chez vous : Les feuilles et les fleurs de la capucine semblent suffisamment propres pour qu’on les mange (rincez-les de toute façon au cas où). Comment s’en sortent-elles sans savon ?

Nous avons copié cet effet d’auto-nettoyage dans de nombreux buts, par exemple pour des plastiques autonettoyants, des tuiles, des vitres, des céramiques, du bois et des peintures auto, et des peintures de façade. Vous pouvez également créer des vêtements ne retenant pas la poussière en les imprégnant à l’aide d’une pulvérisation spéciale.

Comment cela marche-t-il ? A nous de trouver.

Matériaux

  • Morceaux de différentes plantes aux propriétés d’auto-nettoyage, comme feuilles de capucine (Tropaelum majus), feuilles de lotus (Nelumbo nucifera), feuilles de chou (Brassica oleracea) et feuilles de tulipe (Tulipa spp.)
  • Morceaux de différentes plantes hydrophiles, comme feuilles du hêtre commun (Fagus sylvatica) ou de magnolia des Tropiques (Magnolia grandiflora)
  • Eau, miel liquide et / ou colle liquide
  • Une pipette de Pasteur et une cuvette, quelques petites cuillers
  • Ketchup, cannelle et poudre de curry
  • Papier journal, rouleau de papier cuisine et tissus
  • Pulvérisateur pour imprégnation (p.e. pour imperméabiliser un vêtement en suède), peinture de façade à nanoparticules autonettoyante, revêtement à nanoparticules pour bois ou verre
  • En option: tuilede toit étanchée aux nanoparticules

Procédure

  1. Humectez les plantes autonettoyantes avec de l’eau, du miel ou de la colle et recouvrez-les de ketchup, de cannelle ou de poudre de curry (pour simuler la poussière). Qu’observez-vous ?
  2. Répétez l’expérience avec les feuilles hydrophiles. Qu’observez-vous ?
  3. Recherchez maintenant les propriétés autonettoyantes de matériaux artificiels. Pulvérisez sur des tissus, le rouleau de papier de cuisine et le papier journal différents types de traitements d’étanchéité à nanoparticules (p.e. en les imprégnant de spray, de peinture ou de nano revêtement). Comparez soit l’effet du même type de traitement sur des matériaux différents, soit de différents types de traitement sur le même matériau.
  4. Utlisez ces matériaux ou d’autres matériaux revêtus de nanoparticules (p.e. de tuiles) pour répéter les expériences, en les humectant et les souillant. Qu’observez-vous ?

 

Attention

Certains élèves peuvent être allergiques à des plantes ou à des parties de plantes comme le pollen. En utilisant les revêtements de nanoparticules, le pulvérisateur, etc., lisez soigneusement les instructions figurant sur l’emballage. Ils peuvent exiger des gants ou des espaces bien aérés pour leur utilisation. Voir aussi la notice générale sur la sécurité.

 

Images au microscope
électronique à balayage à des
grandissements de 300x
(haut), 2500x (milieu), et
3000x (bas) montrant les
structures cireuses à la
surface d’une feuille de plant
de riz similaire à celles de
capucine ou de lotus. La
première image montre les
bosses cireuses parmi les
stomates ; la deuxième image
donne une vision rapprochée
d’un stomate ; la troisième
image montre la surface en
papille de la feuille et donne
une vision détaillée des
structures cireuses

Images reproduites avec
l’aimable autorisation de Sarah
Perfect / Syngenta

Discussion

Si vous faites tomber une goutte d’eau ou de miel sur une feuille de lotus, elle roulera très rapidement. Un examen rapproché au microscope électronique à balayage en montre la raison : la présence d’un grand nombre de minuscules bosses recouvertes de cire à la surface. Ces bosses mesurent environ 10 à 20 µm de haut et sont séparées les unes de autres de 10 à 15 µm.

L’angle de contact Θ d’une
gouttelette d’eau sur une
surface

Image dans le domaine public;
image source: Wikimedia
Commons

Comment une telle structure aide-t-elle la feuille de lotus à rester propre ? Tout d’abord, la surface de la feuille de lotus est hydrophobe (repoussant l’eau). Le caractère hydrophobique d’une surface peut se définir à partir de l’angle de contact entre la surface et la goutte d’eau : plus cet angle est ouvert, plus la surface est hydrophobe (voir image de droite). Les surfaces avec un angle de contact < 90° sont appelées hydrophiles (‘aimant l’eau’) ; celles avec un angle de contact > çà) hydrophobes. Certaines plantes, connues sous le nom de super hydrophobes atteignent des angles de contact de 160°, avec seulement 2 à 3% de la surface de la goutte en contact avec la surface de la feuille. En fait, la feuille de lotus n’est pas seulement super hydrophobe, mais est également recouverte des bosses cireuses mentionnées antérieurement. Celles-ci réduisent la surface de contact de la gouttelette d’eau encore davantage (imaginez la goutte en équilibre sur la pointe des bosses), ce qui fait que la goutte touche à peine la feuille (avec seulement 0.6% de surface de contact) et glisse facilement.

Gouttelettes de fluide sur une
surface, montrant différents
niveaux d’hydrophobie

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Nous avons vu comment s’écoule l’eau, mais comment les feuilles se débarrassent-elles des particules qui les souillent ? Les plantes sont exposées à toutes sortes de polluants, dont de nombreux sont inorganiques (poussière ou suie), alors que d’autres sont d’origine biologique (p.e. spores de champignons, conidies, miellée ou algues). Sur des feuilles non mouillables comme celles du lotus, ce n’est pas seulement l’adhésion de l’eau sur la surface qui est réduite – la poussière est également lavée par l’eau. Cela n’est toutefois pas aussi évident qu’il y paraît : il y a deux types différents de souillure – les hydrophiles et les hydrophobes. Les particules hydrophiles telles que le limon sont piégées par la gouttelette d’eau et ne peuvent s’en échapper. On voit sur la feuille la trace des gouttes ayant entraîné et lessivé les particules.

Sur une surface hydrophobe,
une goutte sera presque
sphérique et aura un angle
de contact très faible

Image dans le domaine public;
image source: Wikimedia
Commons

Mais qu’en est-il des particules hydrophobes ? On pourrait s’attendre à ce qu’elles collent à la surface d’une feuille hydrophobe, mais en fait une goutte d’eau éliminera également ces particules. Comment cela se produit-il ? Les particules ne sont en contact qu’avec la partie la plus extérieure des structures cireuses, et comme cette surface de contact est minuscule, il en va de même des forces d’adhésion entre les particules et la feuille. Celles-ci sont si faibles que même les faibles forces d’adhésion entre la particule qui repousse l’eau et l’eau sont plus fortes. Aussi, à l’inverse d’une particule hydrophile, qui est piégée par l’eau, la particule hydrophobe colle à la surface de la goutte. L’effet final est toutefois le même – elle est lessivée.

La super hydrophobie ne se limite pas aux plants de lotus: d’autres plantes ont des propriétés d’auto nettoyage grâce à des nattes de poils recouvrant leurs feuilles, les ailes de papillon disposent de minuscules dispositifs en dents de scie qui éloignent les gouttes de pluie du corps de l’insecte que ses ailes soient déployées ou non, et la cuticule des bousiers dispose de textures géométriques répulsives la rendant hydrophobe.

Vue rapprochée d’une aile de
papillon

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Sebastian; image source: Flickr

Quel est l’avantage de ces surfaces autonettoyantes? Pour les plantes sédentaires, c’est une façon de se protéger contre les microorganismes tels que champignons, bactéries ou algues. La plupart des plantes combattent ces ennemis chimiquement par un large éventail de métabolites secondaires, mais les empêcher de se fixer est potentiellement encore plus efficace. En outre, si les feuilles sont souillées, ceci réduit la surface disponible pour la photosynthèse. Les ailes autonettoyantes des papillons présentent l’avantage de ne pas retenir l’eau en les rendant plus pesantes, ce qui pourrait les empêcher de voler.

Les êtres humains ont développé de nombreuses technologies émulant ces effets hydrophobes. Les pulvérisations pour imprégnation, par exemple, recouvrent le matériau d’une couche de type cireux le rendant hydrophobe. Certaines peintures de façade vont encore plus loin, en formant de minuscules bosses en séchant. Ces bosses repoussent aussi bien l’eau que les structures cireuses du lotus et rendent la surface peinte super hydrophobe.

Micrographie par balayage
électronique des minuscules
écailles formant la surface
d’une aile de paon de jour
(grandissement 50x)

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SecretDisc; image source:
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Remerciements

Les deux activités décrites dans le présent article ont été développées dans le contexte d’un atelier organisé par Astrid Wonisch pour des étudiants de la Karl-Franzens-Universität de Graz en formation de professeurs de biologie, et sont incluses dans l’exposition de 2008 Naturwissenschaft und Technik zum Angreifen.

Les étudiants en biologie Steffen Böhm et Karin Edlinger ont travaillé sur ‘l’adhésion sur des surfaces planes : la pression négative’, avec des élèves en biomimétique de 1ère et de Terminale (âgés de 17 à 19 ans) du Lycée BG / BRG de Petergasse à Graz, un lycée se focalisant sur les sciences et les mathématiques, et les professeurs de biologie du Lycée Renate Rovan et Ruth Unger.

Les étudiants en biologie Anna Freudenschuss et Ingo Fuchs ont travaillé avec des élèves de 4ème (âgés de 14 à 15 ans) du Lycée BG / BRG de Fürstenfeld, Fürstenfeld, sur ‘les aspects de l’autonettoyage : l’hydrophobie dans la nature’.

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Web References

  • w1 – Pour en savoir davantage sur l’Université de Formation des Enseignants de Styrie, voir : www.phst.at

Resources

Author(s)

Astrid Wonisch enseigne la physiologie des plantes à la Karl-Franzens-Universität de Graz, Autriche. Elle dirige le Centre didactique de l’Université pour les sciences de la biologie et de l’environnement et travaille avec des étudiants en formation d’enseignants en biologie.

Margit Delefant est Directrice Adjointe du Centre didactique régional pour les sciences de la biologie et de l’environnement de Styrie, Autriche. Elle partage son temps entre l’enseignement au Lycée BG / BRG de Fürstenfeld et à la Karl-Franzens-Universität de Graz, où elle assure un enseignement didactique aux futurs enseignants en biologie.

Espagne. Après avoir obtenu un doctorat en biologie du développement au Laboratoire Européen de Biologie Moléculaire de Heidelberg, Allemagne, elle a étudié le journalisme et travaille en communication scientifique. Elle est l’un des rédacteurs de Science in School depuis 2008.


Review

Collez-y vous! Ou plutôt, donnez à vos élèves l’opportunité de coller aux activités décrites dans le présent article.

L’adhésivité des pieds de la grenouille arboricole et des tentacules de poulpe amène rapidement les élèves à explorer la manière dont se produit le phénomène par le biais d’une ventouse. Les élèves les plus jeunes aimeront décoller les pieds ainsi que le bruit généré lorsqu’on vainc la succion. Les plus âgés peuvent apprécier le phénomène physique et expliquer ce qui se passe par le calcul.

L’adhésivité du miel apparaît dans la seconde activité, en même temps que le ketchup, la cannelle et la poudre de curry – quel élève n’aimera pas se voir confier ces ingrédients ? L’examen de feuilles de lotus et de capucine non adhésives conduit à rechercher des liquides autonettoyants novateurs. Ceci pourrait entraîner d’intéressants débats ainsi qu’à des travaux pratiques allant de tâches simples pour les plus jeunes élèves (faire rouler de l’eau sur les feuilles) à des tâches bien plus complexes pour leurs aînés, en les faisant travailler avec des pulvérisateurs et en utilisant des micrographies par balayage d’électrons pour expliquer le phénomène.

La première activité concerne la physique (pression) et la seconde la chimie (interactions de surface), les deux étant liées à la biologie par l’idée que la nature est d’abord passée par là – ce qui pourrait être approfondi et faire l’objet d’une recherche par les élèves. On pourrait également introduire la taxonomie en étudiant différentes variétés de feuilles.

Ci-après quelques suggestions de questions à poser à vos élèves après les activités :

  1. Dessiner un diagramme montrant l’effet de la ventouse avant et après qu’elle se soit fixée à la surface. L’annoter pour montrer les zones de haute et basse pression et de pression égale.
  2. L’article vous rappelle que force = surface x pression. On fait ici le calcul pour la force exercée par la ventouse. Pouvez-vous penser à d’autres contextes dans lesquels on pourrait utiliser cette équation ?
  3. Il est très ennuyeux (et bruyant) de voir un porte savon fixé par une ventouse au carrelage d’une douche dégringoler. Expliquer ce qui pourrait amener les ventouses à se détacher et à causer la chute.
  4. L’article mentionne que “le bousier s’extrait des bouses de vache”. Que peut bien faire un bousier dans une bouse de vache et pourquoi s’en extraire ? Ceci pourrait nécessiter quelque recherche !
  5. Un microscope à balayage électronique est mentionné dans la discussion sur la seconde activité principale. De quoi s’agit-il ? En quoi diffère-t-il d’un microscope électronique en transmission ?
  6. Les bosses sur une feuille de lotus ont jusqu’à 20 micromètres (µm) de haut. Exprimer cette hauteur en a) nanomètres (nm) et b) millimètres (mm).
  7. Exprimez dans votre propre vocabulaire ce que l’on entend par:
    • Hydrophobe
    • Hydrophile
    • Tension de surface
    • Polluant
    • Inorganique

Il est aussi possible de faire faire une évaluation de risque par les étudiants pour une des activités ou pour les deux. Quelques pays insistent sur celles-ci. Même s’il est le rôle du professeur de fournir une évaluation de risque, on est d’avis que les étudiants seront probablement plus sécuritaires s’ils sont intégrés dans la création de leur propre évaluation de risque, comme ils auront pensé aux dangers eux-mêmes. Ci-dessous, vous trouverez quelques réponses suggérées, bien que toutes sortes de réponses valables ou des alternatives soient acceptées. Pour quelques activités, la probabilité d’incidences peux varier avec l’âge des étudiants.


Sue Howarth, Royaume Uni




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