L’armure sur les ailes de papillon protège contre les fortes pluies (vidéo)

Une analyse des gouttes de pluie à grande vitesse frappant les surfaces biologiques telles que les plumes, les feuilles des plantes et les ailes d’insectes révèle comment ces placages hautement hydrofuges réduisent l’impact de l’eau.

Des micro-bosses et une couche de cire nanométrique sur des ailes de papillon fragiles se brisent et répandent des gouttes de pluie pour minimiser les dommages.

L’étude, «Comment une goutte de pluie se brise sur les surfaces biologiques», publiée le 8 juin dans les Actes de la National Academy of Sciences .

La recherche a montré comment les bosses à l’échelle microscopique, combinées à une couche nanométrique de cire, brisent et répandent ces gouttes pour protéger les surfaces fragiles des dommages physiques et du risque d’hypothermie.

Il existe déjà un marché important pour les produits qui utilisent des exemples de la nature – connus sous le nom de biomimétisme – dans leur conception: sprays autonettoyants et résistants à l’eau pour les vêtements et les chaussures, et revêtements de dégivrage sur les ailes d’avion. Les résultats de cette étude pourraient conduire à plus de ces produits à l’avenir.

« Il s’agit de la première étude à comprendre comment les gouttes de pluie à haute vitesse impactent ces surfaces hydrophobes naturelles », a déclaré l’auteur principal Sunghwan « Sunny » Jung, professeur agrégé de génie biologique et environnemental au Collège d’agriculture et des sciences de la vie. L’auteur principal est Seungho Kim, chercheur postdoctoral au laboratoire de Jung.

Des études antérieures ont examiné les insectes et les plantes frappant l’eau à faible impact et ont noté les propriétés de nettoyage du liquide. Mais dans la nature, les gouttes de pluie peuvent tomber à des taux allant jusqu’à 10 mètres par seconde, donc cette recherche a examiné comment les gouttes de pluie tombant à grande vitesse interagissent avec les surfaces naturelles super-hydrophobes.

Les gouttes de pluie présentent des risques, a déclaré Jung, car leur impact pourrait endommager les ailes fragiles des papillons, par exemple.

« [Se faire frapper] par des gouttes de pluie est l’événement le plus dangereux pour ce genre de petit animal », a-t-il dit, notant que le poids relatif d’une goutte de pluie frappant une aile de papillon serait analogue à une boule de bowling tombant du ciel sur un humain.

Dans l’étude, les chercheurs ont collecté des échantillons de feuilles, de plumes et d’insectes. Ces derniers ont été acquis de la Cornell University Insect Collection, avec l’aide du co-auteur Jason Dombroskie, directeur de la collection et directeur de l’Insect Diagnostic Lab.

Les chercheurs ont placé les échantillons sur une table et libéré des gouttes d’eau d’une hauteur d’environ deux mètres, tout en enregistrant l’impact à quelques milliers d’images par seconde avec une caméra à haute vitesse.

En analysant le film, ils ont constaté que lorsqu’une goutte frappe la surface, elle ondule et se propage. Une couche de cire à l’échelle nanométrique repousse l’eau, tandis que des bosses à plus grande échelle à la surface créent des trous dans la goutte de pluie qui se propage.

« Considérez les micro-bosses comme des aiguilles », a déclaré Jung. Si on laissait tomber un ballon sur ces aiguilles, at-il dit, « alors ce ballon se briserait en plus petits morceaux. Donc, la même chose se produit lorsque la goutte de pluie frappe et se propage. »

Cette action fracassante réduit la durée de contact de la goutte avec la surface, ce qui limite l’élan et diminue la force d’impact sur une aile ou une feuille délicate. Il réduit également le transfert de chaleur d’une goutte froide. Ceci est important car les muscles d’une aile d’insecte, par exemple, doivent être suffisamment chaudes pour voler.

« S’ils ont un temps de contact plus long avec la goutte de pluie froide, ils vont perdre beaucoup de chaleur et ils ne peuvent pas voler très facilement », a déclaré Jung, les rendant vulnérables aux prédateurs, par exemple.

Il est également important de repousser l’eau aussi rapidement que possible, car l’eau est très lourde, ce qui rend le vol des insectes et des oiseaux difficile et alourdit les feuilles des plantes.

« En ayant ces structures à deux niveaux », a déclaré Jung, « [ces organismes] peuvent avoir une surface super hydrophobe. »

L’étude a été financée par la National Science Foundation et le US Department of Agriculture.

(Source : Cornell University)

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