Vous êtes-vous déjà demandé comment les insectes peuvent marcher sur l'eau ?

11 mai 2022

Ce n'est pas parce qu'ils sont plus légers ou moins denses que l'eau, la réponse est… la tension superficielle !

Qu'est-ce que la tension superficielle

C'est ce qui provoque la formation de bulles, c'est ainsi que l'eau peut ramper sur les parois d'un tube capillaire et c'est ce qui permet aux insectes tels que le marcheur d'eau de marcher le long de la surface d'un étang sans le casser. 

La tension superficielle est l'énergie nécessaire pour augmenter la surface d'un liquide, et donc ce qui pousse un liquide à vouloir avoir une surface aussi petite que possible. En d'autres termes, c'est la capacité d'une surface à résister aux forces extérieures dues aux forces moléculaires à l'œuvre au sein du liquide. Ces forces comprennent la liaison hydrogène (interactions intermoléculaires fortes) et les forces de dispersion (interactions intermoléculaires faibles).

En plus de la puissance de la tension superficielle, les marcheurs d'eau ont également des milliers de minuscules poils sur leurs jambes pour emprisonner l'air et augmenter la résistance à l'eau.
En plus de la puissance de la tension superficielle, les marcheurs d'eau ont également des milliers de minuscules poils sur leurs jambes pour emprisonner l'air et augmenter la résistance à l'eau.

Bizarrerie de l'eau

Parmi ses nombreuses autres propriétés uniques, la structure chimique de l'eau lui confère une beaucoup tension superficielle plus élevée que les autres liquides - environ 72 mN/m. Le seul liquide avec une tension superficielle plus élevée est le mercure, à 500 mN/m. Pour cette raison, l'eau est l'exemple le plus couramment utilisé pour démontrer la tension superficielle, et nous pouvons la voir en action partout où nous allons.

L'eau est composée de deux atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène dans une structure tétraédrique, et cette configuration permet aux molécules d'eau de former des liaisons électrostatiques - appelées liaisons hydrogène - entre les molécules voisines.

Les surfaces sont souvent décrites comme étant hydrophiles (aimant l'eau) ou hydrophobes (détestant l'eau), et cela est déterminé par la capacité de la surface à se lier aux molécules d'eau plutôt que l'eau se liant simplement à elle-même. Cette capacité de liaison de surface est souvent déterminée par la polarité moléculaire et s'il existe des sites pour que la liaison hydrogène ait lieu. En chimie, « le semblable attire le semblable », donc une molécule polaire comme l'eau sera plus attirée par une surface polaire qu'une surface sans charge nette.

Feuilles de lotus

Quand vous regardez l'eau couler des feuilles d'une fleur de lotus, vous verrez que la feuille ne se mouille pas vraiment. L'eau s'écoule sans laisser de trace. L'effet lotus est un cas particulier de superhydrophobicité, et cela est causé par deux facteurs.

L'effet lotus a influencé le développement de la bio-imitation d'autres surfaces pour qu'elles soient ultrahydrophobes, autonettoyantes et antiadhésives, comme le PTFE, le revêtement des ustensiles de cuisine en téflon.
L'effet lotus a influencé le développement de la bio-imitation d'autres surfaces pour qu'elles soient ultrahydrophobes, autonettoyantes et antiadhésives, comme le PTFE, le revêtement des ustensiles de cuisine en téflon.

Premièrement, les feuilles de lotus sont couvertes de cuticules qui sécrètent une substance cireuse à travers la surface de la feuille. Les cires et les huiles sont hydrophobes et les gouttelettes d'eau adhèrent donc plus facilement aux autres gouttelettes d'eau qu'à la surface des feuilles.

Deuxièmement, la surface d'une feuille de lotus peut sembler assez lisse, mais elle est en réalité extrêmement rugueuse au niveau microscopique. Il est recouvert de nombreux points minuscules de la surface des feuilles, formant des hiérarchies fractales de surface et des espaces dans lesquels l'air peut être emprisonné. Cela augmente la résistance entre la goutte d'eau et la surface de la feuille, ce qui fait simplement rouler l'eau. 

Rupture de la tension superficielle

L'énergie d'une surface peut être abaissée pour la laisser se casser plus facilement. Ceci est réalisé en utilisant des tensioactifs, abréviation de surfas active ageNts. 

Les tensioactifs ménagers les plus courants sont les détergents dans les produits de nettoyage et les émulsifiants dans les aliments et les cosmétiques.
Les tensioactifs ménagers les plus courants sont les détergents dans les produits de nettoyage et les émulsifiants dans les aliments et les cosmétiques.

Les tensioactifs sont des molécules à tête hydrophile et à queue hydrophobe. Les molécules peuvent s'aligner le long d'une interface d'eau et d'un autre fluide (comme l'huile ou l'air) et cela réduit l'énergie le long de la surface. 

Vous pouvez visualiser cela comme une couche supplémentaire recouvrant les molécules d'eau et les séparant de l'interface et les unes des autres. Cela disperse les molécules d'eau et provoque la formation de bulles. 

Dans les détergents, ces minuscules bulles peuvent ensuite pénétrer dans les rainures et les pores pour nettoyer la saleté et les bactéries. Dans les émulsions, les bulles peuvent être dispersées dans un autre fluide, comme des particules d'eau en suspension dans l'huile pour fabriquer de la margarine. Les tensioactifs émulsifiants sont capables de changer la consistance des deux phases en quelque chose d'homogène et de faire en sorte qu'il soit beaucoup plus difficile pour elles de se séparer.

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Enquête rapide