Le Lotus-Effekt : Théorie et instructions d'expérimentation. Septembre Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili

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1 Plate-forme éducative sur les micro- et nanotechnologies, pour les écoles professionnelles, les écoles d'enseignement secondaire et les établissements supérieurs spécialisés Le Lotus-Effekt : Théorie et instructions d'expérimentation Septembre 2014 Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili

2 Contact: Die Innovationsgesellschaft St. Gallen Lerchenfeldstrasse 5, CH-9014 Saint-Gall Tél. +41 (0) Mail: Version: Septembre 2014 Le présent module a été réalisé par la Société de l'innovation Saint-Gall dans le cadre du projet Swiss Nano-Cube. Auteurs: Stephan Knébel, Marianne Dietiker, Christoph Meili. Illustration de la page titre: Feuille de lotus (photo: Swiss Nano-Cube) Swiss Nano-Cube/Septembre /

3 Table des matières 1. Fondements théoriques Propriétés chimiques et physiques des liquides La feuille de lotus L'effet artificiel Lotus-Effekt : Différentes expériences relatives au Lotus-Effekt Le Lotus-Effekt naturel chez le lotus et la capucine Le Lotus-Effekt artificiel sur le verre Le Lotus-Effekt artificiel sur des textiles Le Lotus-Effekt artificiel sur le bois Le Lotus-Effekt artificiel sur un CD Annexe 1: Références Annexe 2: Produits chimiques/sécurité/élimination Consignes générales Liens pointant vers les fiches de données de sécurité Fondements juridiques/responsabilité Détails relatifs aux produits chimiques utilisés Swiss Nano-Cube/Septembre /21

4 1. Fondements théoriques 1.1. Propriétés chimiques et physiques des liquides Liaisons intermoléculaires Les molécules peuvent entrer de différentes manières en liaison les unes avec les autres. On parle alors de liaisons intermoléculaires. C'est grâce à ces liaisons que les liquides et les matières solides peuvent se former. Dans les gaz, il n'existe pas de liaisons intermoléculaires unissant les molécules. Parmi les liaisons intermoléculaires figurent par exemple les liaisons ioniques et les liaisons de Van der Waals. Ces liaisons dernières citées sont des interactions électrostatiques faibles subdivisées en différentes catégories d'intensité: Les liaisons de Van der Waals plus fortes sont des liaisons dipôle-dipôle (par exemple les ponts d'hydrogène) se formant par exemple entre les molécules d'eau. Les liaisons intermoléculaires les plus faibles sont celles qui unissent les molécules apolaires telles que les liaisons hydrocarburées. Elles sont appelées forces dispersives de London. Les forces dispersives de London augmentent comme la taille des molécules [1, 2] Tension superficielle Dans les liquides, les différentes molécules sont maintenues groupées sous l'action de forces intermoléculaires faibles. Les molécules qui se trouvent à la surface du liquide peuvent simultanément entrer en liaisons intermoléculaires avec des molécules d'une autre nature provenant de l'environnement ou avec des molécules de même nature provenant du liquide. Les différentes molécules tendent à rejoindre l'état énergétiquement le plus favorable. En d autres termes: elles recherchent la liaison la plus forte possible avec d'autres molécules. Si les plus puissants partenaires possible de la liaison sont des atomes de même nature issus du liquide, ceci conduit dans le liquide à une tension orientée vers l'intérieur, la tension superficielle (fig. 1). Air (mélange gazeux) Surface liant faiblement l'eau Figure 1: Illustration de la tension superficielle. Les molécules d'eau à l'intérieur de la goutte (représentées en bleu) constituent pour les molécules d'eau situées à la surface de la goutte des partenaires de liaison énergétiquement plus avantageux que les molécules de l'environnement (en gris). Ce phénomène engendre une «tension de liaison» orientée vers l'intérieur, la tension superficielle. Se trouvant à l'état gazeux, les molécules d'air ne sont pas disponibles comme partenaires de liaison. (Illustration: Swiss Nano-Cube) Pour des motifs énergétiques, les atomes veulent être les plus nombreux possibles à se trouver à l'intérieur du liquide. La surface doit être la plus petite possible (minimisation de la surface). La forme de la plus petite surface est une sphère. Pour cette raison, les liquides présentant une Swiss Nano-Cube/Septembre /21

5 tension superficielle élevée forment des gouttes. En outre, plus les liaisons intermoléculaires avec les molécules de l'environnement sont faible et plus la forme de goutte est accusée. Le fait que des liquides perlent (forment des gouttes) sur certaines surfaces est donc la conséquence de liaisons intermoléculaires très faibles entre les molécules de liquide et celles de la surface [1], [2] Hydrophobie et effet hydrophobe Le terme hydrophobe est d'origine grecque et signifie «qui évite l'eau» ou «qui repousse l'eau» Le contraire de l'hydrophobie, c'est l'hydrophilie, c'est-à-dire une affinité prononcée pour l'eau. En science naturelle, les molécules et atomes sont classés hydrophiles ou hydrophobes suivant leur affinité ou leur manque d'affinité pour l'eau. Il faut se rappeler à ce titre qu'en science naturelle, être hydrophobe ne signifie pas rejeter l'eau. Les molécules hydrophobes ne rejettent pas l'eau, elles se contentent de former des liaisons intermoléculaires très faibles avec les molécules d'eau. Les molécules hydrophobes sont non polaires (apolaires) et ne peuvent pas former de liaisons dipôle-dipôle avec d'autres molécules. Les molécules hydrophobes ne disposent que des forces dispersives de London, faibles, pour former des liaisons intermoléculaire. Si maintenant des molécules hydrophobes (d'huile d'olive par exemple) se trouvent dans l'eau, cela signifie pour les molécules d'eau qu'elles ont le choix entre deux partenaires de liaison qui ne détiennent pas la même force de liaison. D'un côté les autres molécules d'eau avec lesquelles elles peuvent former de puissantes liaisons dipôle-dipôle, de l'autre les molécules hydrophobes environnantes avec lesquelles elles ne peuvent former que des liaisons faibles. L'ensemble des molécules présentes dans le mélange tente maintenant de parvenir à l'état le plus favorable au plan énergétique. Cela signifie qu'elles cherchent à former le plus grand nombre possible de liaisons fortes et le plus petit nombre possible de liaisons faibles (voir aussi 1.1.2). La forme d'état énergétiquement la plus favorable est atteinte lorsque les surfaces de contact entre les molécules d'eau et les molécules environnantes hydrophobes sont minimes. Ce phénomène est appelé effet hydrophobe; il est possible de l'observer par exemple pendant la formation d'émulsions grasses dans un environnement aqueux (gouttes d'huile dans l'eau) La feuille de lotus La couche superficielle de la feuille de lotus (nom latin: Nelumbo nucifera [3]) est constituée de telle sorte que, grâce aux phénomènes chimico-physiques décrits plus haut (tension superficielle et effet hydrophobe), elle possède des propriétés «autonettoyantes». En réalité, le terme «autonettoyage» est trompeur en pareil contexte car la plante ne peut pas, c'est évident, se nettoyer elle-même; c'est l'eau (par exemple sous forme de pluie) qui lui permet de maintenir facilement la surface propre. La couche cellulaire la plus à l'extérieur sur les feuilles de la plante est formée des cellules dites épidermiques. Directement au dessus des cellules épidermiques se trouve une couche microstructurée, la cuticule. La cuticule se compose de molécules hydrophobes; elle empêche d'un côté que la plante se déshydrate, et de l'autre que les particules sales et l'eau adhèrent contre la surface des feuilles. Ce que la surface de la feuille de lotus a de particulier ce n'est toutefois pas sa cuticule hydrophobe; presque toutes les plantes en effet en possèdent une. La cuticule du lotus présente une structure particulière permettant de réduire fortement la surface de contact avec les particules sales ou l'eau. La diminution de la surface de contact va de pair avec une augmentation de «l'angle de contact» entre l'eau et la surface. La combinaison d'une surface hydrophobe et d'un grand angle de contact est appelée «superhydrophobie». Les gouttes d'eau qui perlent sur les surfaces superhydrophobes ont la forme de gouttes presque parfaites et peuvent emporter avec elles les particules sales éventuellement présentes à la Swiss Nano-Cube/Septembre /21

6 surface (fig. 2 et 3). Même les particules sales hydrophobes sont, en raison de leur surface de contact minime avec la surface de la feuille, emportées par les gouttes d'eau. Figure 2: Surface autonettoyante d'une feuille de lotus séchée. Les fines particules sales (poudre d'argile) sont emportées par l'eau en train de perler sur la surface. (Photos: Swiss Nano-Cube) La cuticule microstructurée du lotus présente de minuscules évaginations appelées papilles et hautes d'environ 20 microns. Une couche de cristaux de cire nanostructurés vient la recouvrir [4]. La forme et la structure des cristaux de cire dépend de la composition chimique des cires. Du point de vue chimique, les cires sont des esters d'acides gras avec alcools à chaîne longue [3.]. Les cires situées à la surface de la feuille sont appelées cires épicuticulaires. Outre le lotus, d'autres plantes présentent des surfaces autonettoyantes ; elles le doivent à la composition spéciale de leurs cires épicuticulaires: c'est le cas par exemple de la capucine, de l'alchémille vulgaire ou du chou-rave. Cristaux de cire épicuticulaires Papilles Figure 3: Micro- et nanostructure superhydrophobes de la cuticule du lotus. En raison des cristaux de cire (vert foncé), la surface des particules sales en contact avec la surface de la feuille de lotus est minime. Même les particules sales hydrophobes sont plus fortement liées à la surface de la goutte d'eau qu'à la surface de la feuille de lotus. (Illustration: Swiss Nano- Cube) La structure des cristaux de cire épicuticulaires joue un rôle déterminant dans la mouillabilité de la surface de la feuille. La mouillabilité est conditionnée par l'angle de contact entre la goutte d'eau et la surface. Il y a mouillage total lorsque l'angle de contact est de zéro degré; à 180 degrés, on parle alors d'une inmouillabilité parfaite, cas abstrait inexistant dans la Nature (fig. 4) [3]. Plus la surface est rugueuse (au niveau microscopique!) et hydrophobe, et plus l'angle de contact de la goutte d'eau est élevé. Entre les différents cristaux de cire hydrophobes se trouvent des inclusions d'air qui réduisent la surface de contact. Vu que l'eau présente une tension superficielle élevée et qu'elle voudrait conserver la forme d'une bille, vu également la faible interaction entre l'eau et la surface, le mode le plus avantageux pour le système consiste en ce que la goutte d'eau emprisonne des inclusions d'air sous elle et forme un pont reliant une pointe de surface rugueuse à une autre pointe de surface rugueuse. L'eau ne peut atteindre son état énergétiquement optimal qu'en maximisant l'angle de contact (fig. 5). Swiss Nano-Cube/Septembre /21

7 a b Figure 4: Angle de contact α, à la surface, entre un liquide (bleu) et un corps solide (gris). a) Grand angle de contact, mouillabilité réduite. b) Angle de contact réduit, mouillabilité élevée. Angle de contact minimal zéro degré; angle de contact maximal 180 degrés. (Illustration: Swiss Nano-Cube) Air (mélange gazeux) Cristaux de cire Inclusion d'air Surface superhydrophobe de la feuille de lotus Figure 5: Minimisation de la surface de contact entre une surface superhydrophobe et l'eau. Entre les cristaux de cire et les gouttes d'eau se trouvent des inclusions d'air qui minimisent la surface par laquelle la goutte d'eau entre en contact avec la surface de la feuille. (Illustration: Swiss Nano-Cube) La surface de contact entre les particules sales hydrophobes et la surface de la feuille sont également minimes, raison pour laquelle les gouttes d'eau hydrophiles les lient mieux que la surface hydrophobe de la feuille L'effet artificiel Lotus-Effekt : Le Lotus-Effekt désigne la propriété autonettoyante d'une surface. Dans ce contexte, «propriété autonettoyante» signifie que l'eau suffit pour nettoyer et que d'autres substances sont superflues. Cet effet n'est pas limité au lotus et il est possible de l'obtenir artificiellement [3,5]. Dans ce cas, on rend artificiellement rugueuses les surfaces à traiter de sorte que leur couche la plus à l'extérieur présente, de façon similaire aux feuilles de lotus, une structure «collinaire» comprise entre le haut de la plage nanométrique et la plage micrométrique. Comme décrit plus haut, cette structure superficielle nanométrique empêche les particules sales d'adhérer à la surface. La nanotechnologie sous-tendant cet effet très apprécié est donc intégrée dans la structure de la surface. Swiss Nano-Cube/Septembre /21

8 Le Lotus Effekt a été découvert dans les années 1990 par Wilhelm Barthlott, professeur à l'université de Bonn. Aujourd'hui, le Lotus-Effekt est même une marque de commerce [5,6]. Le Lotus-Effekt est assurément l'application la plus fréquemment mentionnée des nanotechnologies. Cela provient peut-être du fait que l'expression «Lotus-Effekt» sert régulièrement, depuis sa découverte dans les année 1990, à commercialiser des produits destinés au traitement des surfaces. Lorsqu'on effectue sur Google des recherches sur les nanotechnologies, on trouve d'abord des liens sur des entreprises distribuant des produits qui profitent du Lotus-Effekt. Aujourd'hui, les brevets les plus divers en liaison avec le Lotus- Effekt font l'objet d'une exploitation commerciale, sous la forme par exemple d'une peinture appelée Lotusan et qui rend les façades des maisons autonettoyantes. En outre il existe différentes applications se laissant enduire sur les vitres de voiture, sur les textiles et même sur le bois pour leur conférer un pouvoir autonettoyant au moins passager. Maintes surfaces superhydrophobes sont mêmes structurées de telle manière qu'elles parviennent à faire perler non seulement l'eau mais aussi des liquides visqueux comme la colle ou le miel. Toutefois, le Lotus-Effekt ne fonctionne pas avec les solvants à fort pouvoir mouillant comme par exemple les peintures pour graffitis, car ces peintures présentent une tension superficielle trop faible [3] Fabrication technique de revêtements superficiels superhydrophobes Le procédé sol-gel est l'un des procédés les plus importants pour fabriquer par nanotechnologies interposées des revêtements de surface superhydrophobes. Dans ce procédé, les dispersions stables de nanoparticules se concentrent en un gel au fur et à mesure que le solvant s'évapore. Dans le procédé sol-gel, il faut faire la distinction entre deux étapes fondamentales: La fabrication du «sol» et l'enduction de la surface par immersion Fabrication d'un «sol» Dans le procédé sol-gel, la substance de départ est le «sol». Un sol est une solution colloïdale dans laquelle des nanoparticules ou macromolécules se trouvent en dispersion stable. «Stable» signifie dans le cas présent que les particules n'interagissent que faiblement les unes avec les autres [7]. Les sols fréquemment utilisés dans les revêtements superficiels sont des dispersions composées de nanoparticules de dioxyde de silicium (SiO 2 ) spécialement modifiées. Pour fabriquer des nanoparticules de dioxyde de silicium, on recourt à une hydrolyse suivie d'une condensation pour «agréger» des silanes devenant ainsi des nanoparticules. Les silanes sont des composés chimiques reposant sur une structure de base en silicium. La forme de nanoparticules de dioxyde de silicium voit le jour lorsqu'on utilise du tétraéthoxysilane (TEOS, Si(OC 2 H 5 ) 4 ) comme substance de départ. En présence d'un ph faible, les groupes éthoxy du TEOS sont hydrolysés en groupes hydroxy réactifs qui ensuite s'agglomèrent par condensation chimique [8]. H + /H 2O Hydrolyse: Si(OC 2 H 5 ) 4 Si(OH) C 2 OH Condensation: 2 Si(OH) 4 Si(OH) 3 -O-Si(OH) 3 + H 2 O La condensation engendre des agglomérats de dioxyde de silicium qui deviennent des nanoparticules en croissant. C'est le ph qui joue un rôle décisif dans la formation des nanoparticules. À un ph réduit, il se produit principalement une hydrolyse, tandis qu'à un ph élevé la réaction de condensation reçoit la préférence. À un certain ph, il s'établit donc un équilibre correspondant entre les deux réactions ; cet équilibre stoppe l'agglomération en cours, ce qui stabilise les particules à partir d'une certaine taille (5-50 nm) [8]. Si le sol fabriqué doit ensuite servir à préparer un revêtement superficiel superhydrophobe, il faut donc que le sol contienne - outre les nanoparticules simples de dioxyde de silicium - des nanoparticules dont la surface a été hydrophobisée. Outre du TEOS, ce sont des silanes à Swiss Nano-Cube/Septembre /21

9 chaînes latérales hydrophobes qui entrent dans la fabrication du sol. Ainsi se forment des nanoparticules de dioxyde de silicium présentant des structures hydrophobes sur leurs surfaces Enduction d'un revêtement superficiel par immersion Le procédé d'enduction par immersion a pour objectif de lier les nanoparticules hydrophobes en couche la plus mince possible contre une surface support afin que cette dernière acquière des propriétés superhydrophobes. Le procédé d'enduction par immersion repose sur un principe simple: La surface support à enduire (une vitre en verre par exemple) est plongée dans un sol à nanoparticules d'hydroxyde de silicium hydrophobisées, pour en être ensuite lentement extraite. Pendant et après l'extraction du verre, le solvant s'évapore progressivement et un hydrogel se forme sur la surface support (fig. 6). Figure 6: Phases conduisant à la formation, avec le procédé sol-gel, d'un revêtement superficiel superhydrophobe À gauche: Sol: Nanoparticules dispersées de manière stable, avec hydrophobisation de la surface. Au milieu: Vu l'évaporation progressive du solvant (bleu), les particules présentes dans le sol s'agrègent en réseau. Dès que le solvant a été entièrement adsorbé par le réseau, un hydrogel se forme. À droite: L'évaporation du solvant se poursuivant, le réseau hydrophobe composé de nanoparticules reste sur la surface. (Illustration: Swiss Nano-Cube) De par leur structure, les hydrogels présentent deux phases: un phase solide (réseau des nanoparticules) et une phase liquide (solvant qui remplit les espaces vides du réseau) [7]. Ces gels résultent de réactions de condensation entre les molécules superficielles des différentes particules d'un sol; ces réactions sont favorisées par l'évaporation du solvant. Du fait que le solvant s'évapore, les particules peuvent mieux se rapprocher les unes des autres et interagir plus fortement. L'évaporation du solvant se poursuivant et du fait de l'échauffement subséquent, il ne reste plus que le réseau hydrophobe sur la surface support (fig. 7). Les procédés d'enduction industriels permettent d'appliquer des couches tellement minces qu'elles sont transparentes; en effet, celles d'une épaisseur inférieure à 100 nm ne diffractent pas la lumière et sont donc pratiquement transparentes [8]. Toutefois, maints procédés industriels (dont entre autres différents aérosols d'imprégnation) allèguent se fonder sur l'effet du lotus bien qu'ils se contentent d'appliquer des produits chimiques sur une surface pour l'hydrophobiser. Toutefois, on ne peut parler d'effet lotus que si la surface présente non seulement la structure mais en plus l'hydrophobie. Swiss Nano-Cube/Septembre /21

10 Figure 7: À gauche: Goutte d'eau avec grand angle de contact sur une lame porte-objet en verre dotée d'un enduit hydrophobisant selon le procédé sol-gel. À droite: Comparaison enduit/non enduit Le revêtement a été fabriqué selon des instructions provenant du «Coffret d'expérimentation sur la nanotechnologie chimique» [9]. (Photos: Swiss Nano- Cube) Swiss Nano-Cube/Septembre /21

11 2. Différentes expériences relatives au Lotus-Effekt 2.1. Le Lotus-Effekt naturel chez le lotus et la capucine Montage de l'expérience/matériels/produits chimiques (par élève ou par équipe) Figure 8: Montage de l'expérience/matériels à utiliser dans l'expérience 2.1. (Photo: Swiss Nano-Cube) 1 feuille de lotus sèche, non traitée (également possible avec des feuilles de lotus fraîches) 1 feuille de capucine non traitée (également remplaçable par une feuille de chou-rave non traitée) De l'argile finement broyée (utilisation possible aussi de terre fine, de cendres, etc.) 1 pipette de Pasteur en plastique graduée (env. 5 ml). 1 bécher contenant de l'eau du robinet Mouchoirs en papier ou du papier journal pour servir de sous-main Réalisation de l'expérience/résultats Durée: 2 min environ Réalisation de l'expérience 1er Avec la salière, saupoudrer l'argile finement moulue sur la feuille. 2e Avec la pipette de Pasteur en plastique, faire tomber quelques gouttes d'eau sur la feuille salie et observer ce qu'il se passe. 3e Ensuite, il est possible de nettoyer complètement les feuilles avec l'eau et de les utiliser plusieurs fois. Important: Il ne faut pas traiter les feuilles et ne pas les laver avec du savon Résultats Le Lotus-Effekt s'observe bien sur les deux plantes, et ceci que leurs feuillent aient été séchées ou non. L'eau perle sur leur surface et forme des gouttes presque parfaites d'un très grand angle de contact. Les particules sales (de l'argile finement moulue) sont entraînées par les gouttes d'eau et la feuille recouvre une parfaite propreté (fig. 9). Swiss Nano-Cube/Septembre /21

12 Figure 9: Feuille de lotus séchée sur laquelle ont été déposées de l'argile finement moulue et une goutte d'eau. (Photo: Swiss Nano-Cube) Il est possible d'étendre l'expérience en étudiant les propriétés «autonettoyantes» d'autres feuilles ou surfaces (papier, plastique, verre, métal, etc.). Les élèves peuvent essayer de classer les matériaux selon leurs angles de contact Le Lotus-Effekt artificiel sur le verre Agencement de l'expérience/matériels/produits chimiques (par élève ou équipe) Figure 10: Montage de l'expérience/matériels à utiliser dans l'expérience 2.2. (Photo: Swiss Nano-Cube) 1 lame porte-objet en verre (env. 76 x 26 mm) 1 bougie et un briquet 1 pince à creuset 1 pipette de Pasteur en plastique graduée (env. 5 ml). 1 bécher contenant de l'eau du robinet Mouchoirs en papier pour servir de sous-main Swiss Nano-Cube/Septembre /21

13 Réalisation de l'expérience/résultats Durée: 4 min environ Réalisation de l'expérience 1er Avec la pince à creuset, maintenir la lame porte-objet 1 à 2 cm au dessus de la bougie allumée jusqu'à ce qu'un côté de la lame porte-objet soit entièrement recouvert de suie. 2e Avec la pipette de Pasteur en plastique, verser quelques gouttes d'eau sur le côté propre et le côté couvert de suie de la lame porte-objet, et comparer la forme des gouttes. 3e Après l'expérience, il est possible de nettoyer et réutiliser sans problème la lame porteobjet Résultats Sur le côté de la lame porte-objet couvert de suie, des gouttes quasiment parfaites et à grand angle de contact se forment (fig. 11). Le côté propre présente une mouillabilité nettement meilleure. La suie constitue un revêtement superficiel fortement hydrophobe (chaînes hydrocarburées) et elle permet ainsi à l'eau de perler [10]. Figure 11: Goutte d'eau sur une surface en verre recouverte de suie. (Photo: Swiss Nano-Cube) 2.3. Le Lotus-Effekt artificiel sur des textiles Matières/produits chimiques (par élève ou par équipe) Aérosol d'imprégnation textile sur base nanotechnologique (par exemple Nano-Tex, NanoSys GmbH) 2 morceaux de tissu (env. 10 x 10 cm Cola ou sirop Ketchup 1 pipette de Pasteur en plastique graduée (env. 5 ml). Mouchoirs en papier pour servir de sous-main Swiss Nano-Cube/Septembre /21

14 Réalisation de l'expérience/résultats Durée: 5 minutes env. (Il faut laisser l'imprégnation sécher pendant env. 1 heure) Réalisation de l'expérience Consigne de sécurité: Respecter les consignes figurant sur le produit! 1er Traiter l'un des deux morceaux de tissu avec l'aérosol d'imprégnation et le laisser sécher. Le second morceau ne reçoit pas le traitement et sert de témoin. Marquer les deux morceaux de tissu au préalable. (Avant d'utiliser des produits d'imprégnation textile basés sur les nanotechnologies, toujours commencer par lire les consignes de sécurité sur le produit!) 2e Le jour suivant, verser sur les deux morceaux de tissu de l'eau, du cola et du ketchup pour les tacher, puis observer les différences entre le tissu traité et celui non-traité Résultats L'eau et le cola perlent sur les textiles traités, sans laisser de tache. Avec un mouchoir en papier, le ketchup se laisse essuyer sans laisser pratiquement aucun résidu. Les textiles non traités absorbent les liquides et les taches de ketchup ne peuvent plus être enlevées qu'avec du savon (fig. 12, 13). a b c d Figure 12: Effet de la nano-imprégnation des textiles: Un mouchoir permet de retirer pratiquement la quasi-intégralité du ketchup. a) Imprégné b) Imprégné, ketchup essuyé. c) Non traité. d) Non traité, ketchup essuyé. (Photos: Swiss Nano-Cube) Swiss Nano-Cube/Septembre /21

15 a b c traité non traité Figure 13: Effet de la nano-imprégnation textile: Le cola perle sur le tissu. Il ne reste aucune tache dessus. a) et b) Les gouttes de cola perlent et présentent un grand angle de contact. c) À gauche: imprégné. À droite: Non traité, le cola est absorbé par le tissu (Photos: Swiss Nano-Cube) 2.4. Le Lotus-Effekt artificiel sur le bois Agencement de l'expérience/matériels/produits chimiques (par expérience) Aérosol d'imprégnation du bois sur base nanotechnologique (par exemple Nano-Perl 118 F, NanoSys GmbH) 2 morceaux de bois non traités (env. 6 x 12 cm) 1 pipette de Pasteur en plastique graduée (env. 5 ml). 1 bécher contenant de l'eau du robinet 1 petite règle Mouchoirs en papier pour servir de sous-main En option: De l'argile finement broyée (ou de la terre fine, des cendres, etc.) Remarque: A la place du bois ou en plus de celui-ci, il est également possible d'expérimenter sur des pots en argile ou des tessons d'argile Réalisation de l'expérience/résultats Durée: environ 5 minutes (il faut laisser l'imprégnation sécher environ 1 heure!) Réalisation de l'expérience Consigne de sécurité: Respecter les consignes figurant sur le produit. 1er Traiter l'un des deux morceaux de bois avec l'aérosol d'imprégnation et le laisser sécher. Le second morceau ne reçoit pas le traitement et sert donc de témoin. Marquer les deux Swiss Nano-Cube/Septembre /21

16 morceaux de tissu au préalable. (En cas d'utilisation de Nano-Perl ou de produits similaire, il faut respecter les consignes de sécurité apposées sur la boîte. 2e Le jour suivant, appliquer env. 0,5 ml d'eau sur les deux morceaux avec la pipette de Pasteur en plastique, puis mesurer le diamètre des gouttes avec la règle. 3e Au moment d'appliquer de l'argile finement moulue, il est possible d'observer un effet autonettoyant similaire à celui de l'expérience Résultats Sur le morceau de bois imprégné, l'eau perle avec un plus grand angle de contact que sur le morceau de bois non traité (fig. 14). a b c Figure 14: Effet de la nano-imprégnation du bois: L'angle de contact de l'eau augmente, la surface de contact diminue. a) Imprégné. b) Non traité. c) À gauche: Imprégné et «sali». À droite: Non traité et «sali». (Photos: Swiss Nano-Cube) En règle générale, les aérosols de nano-imprégnation fonctionnent plutôt bien sur différentes surfaces, même si le fabricant indique qu'ils ne conviennent que pour un matériau précis. Nous recommandons de n'acheter au début qu'un seul produit (un pour le bois par exemple), et ensuite de tester s'il convient aussi sur les textiles, l'argile, le papier, etc. Swiss Nano-Cube/Septembre /21

17 2.5. Le Lotus-Effekt artificiel sur un CD Agencement de l'expérience/matériaux/produits chimiques (par expérience) Figure 15: Montage de l'expérience/matériels à utiliser dans l'expérience 2.5. (Photo: Swiss Nano-Cube) Acetone/C 3 H 6 O (Carl Roth GmbH) 1 CD usagé 1 pipette de Pasteur en plastique graduée (env. 5 ml). 1 bécher De l'eau distillée dans un flacon à pulvériser Mouchoirs en papier pour servir de sous-main En option: Argile finement moulue (ou de la terre fine, des cendres, etc.) Réalisation de l'expérience/résultats Durée: 40 min environ Réalisation de l'expérience Consigne de sécurité: Lunettes enveloppantes et gants de protection! 1er Avec la pipette de Pasteur en plastique, recouvrir rapidement environ un quart du CD avec l'acétone. 2e Laisser l'acétone s'évaporer environ 10 minutes. 3e Répéter deux fois les étapes 1 et 2. 4e Avec le flacon à jet, pulvériser de l'eau distillée sur la surface qui avait été recouverte d'acétone. 5e Laisser l'eau distillée s'évaporer 10 à 20 minutes. Important: Pour pouvoir observer le Lotus Effekt, il faut que la surface traitée du CD ait entièrement séché. 6e A la fin, appliquer quelques gouttes d'eau sur les surfaces respectivement traitée et non traitée du CD, puis comparer la forme des gouttes. En option, il est également possible d'appliquer de l'argile finement moulue afin d'observer l'effet autonettoyant. Swiss Nano-Cube/Septembre /21

18 Résultats L'acétone permet de former des structures semi-cristallines à partir des constituants hydrophobes de la matière plastique du CD. Des cristaux se formant, une surface rugueuse et hydrophobe dans la plage nano-/micrométrique apparaît, et c'est elle qui est responsable de l'effet lotus (fig. 16) [11]. Figure 16: Effet lotus sur un CD. À gauche: Surface non traitée À droite: Surface rugueuse (tache blanche) traitée à l'acétone (Photo: Swiss Nano-Cube) Swiss Nano-Cube/Septembre /21

19 3. Annexe 1: Références [1] Atkins P.W., Beran J.A., Chemie: einfach alles (La chimie tout compris), 2e édition revue et corrigée, Wiley-VCH, 1998 [2] Tipler P.A., Mosca G., Physik für Wissenschaftler und Ingenieure, (La physique à l'intention des scientifiques et ingénieurs) 2e édition allemande, éditions Spektrum Akademischer Verlag, 2004 [3] Fürstner R., Neinhuis C., Bartholtt W., Der Lotus-Effekt: Selbstreinigung mikrostrukturierter Oberflächen, (L'effet lotus: autonettoyage des surfaces microstructurées), périodique Nachrichten aus der Chemie 48, 2000 [4] Koch, K., Bhushan, B. et Barthlott, W. Diversity of structure, morphology and wetting of plant surfaces (Diversité des structures, morphologie et mouillage des surfaces de plantes) Soft Matter, 4, 2008, pp [5] Spaeth M., Bartholtt W., Lotus-Effect: Biomimetic super-hydrophobic surfaces an their application, (L'effet lotus: surfaces superhydrophobes biomimétiques et leur application) Advances in Science and Technology 60, 2008, [6] Barthlott W., Germany Patent No. brevet EP BI ( ) [7] Schmidt H. K., Anorganische Synthesemethoden: Das Sol-Gel-Verfahren (Méthodes de synthèse inorganique: le procédé sol-gel), périodique Chemie in unserer Zeit 35, 2001, [8] Sepeur S., Nanotechnologie: Grundlagen und Anwendungen (Les nanotechnologies: fondements et applications, Hanovre: Vincentz Network, 2008 [9] Coffret d'expérimentation des nanotechnologies, INM Institut Leibniz des nouveaux matériaux (www.cc-nanochem.de) [10] [11] Fonds de l'industrie Chimique, instructions d'expérimentation NanoBoX, Swiss Nano-Cube/Septembre /21

20 4. Annexe 2: Produits chimiques/sécurité/élimination 4.1. Consignes générales Avant d'utiliser les produits chimiques, il faut dans tous les cas étudier leurs fiches de données de sécurité! Les fabricants les livrent avec les produits chimiques, ou il est possible de les télécharger gratuitement depuis les sites Web des fabricants. Les liens pointant vers les fiches de données de sécurité se trouvent à la section 4.2. Il est possible de consulter des informations avancées sur les produits chimiques dans la base de données GESTIS-Stoffdatenbank. Pour trouver dans des bases de données les produits chimiques recherchés, le mieux est d'utiliser leur numéro CAS comme clé de recherche. Les numéros respectifs figurent dans le présent document. Toutes les phrases R et S figurent sur le site Web de l'office fédéral allemand de la santé site Web de l'office fédéral de la santé (BAG). Vous trouverez des consignes avancées sur le maniement des produits chimiques à l'adresse Infowebpage des Bundes Liens pointant vers les fiches de données de sécurité Nano-Tex (NanoSys GmbH) Nano-Perl 118 F (NanoSys GmbH) Aceton (Carl Roth GmbH) 4.3. Fondements juridiques/responsabilité Les informations figurant sur les fiches de données de sécurité publiées par les fabricants de produits chimiques sont seules contractuelles, à l'exclusion de toutes autres. Les données de sécurité afférentes aux produits chimiques utilisés ainsi que les consignes de sécurité visant la réalisation des expériences ont fait l'objet de recherches soignées. Néanmoins, nous déclinons toute responsabilité quant à l'exactitude, la complétude et l'actualité des informations. Swiss Nano-Cube/Septembre /21

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