Forces de van der Waals ,robots,adhésifs et pattes de geckos

Que sont les forces de van der Waals?

Une liaison de van der Waals est une interaction de faible intensité entre atomes, molécules, ou une molécule et un cristal. C'est un phénomène qui ne peut bien se comprendre que dans le cadre de la physique quantique. Ces forces ont été nommées en l'honneur du physicien hollandais Johannes Diderik van der Waals (1837 — 1923), prix Nobel de physique 1910, qui fut le premier à introduire leurs effets dans les équations d'état des gaz en 1873 (voir aussi :gaz de Van der Waals et Équation d'état de Van der Waals).

Les forces de Van der Waals ont plusieurs origines. On dénombre trois effets :

Les forces de Keesom ou effets d'orientation(énergie cinétique entre molécules polaires )
Les forces de Debye ou effets d'induction (énergie cinétique entre molécules polaires et dipôles induits).
Les forces de London ou effets de dispersion entre dipôles instantanés.

Les forces de Van der Waals s'obtiennent en dérivant l'expression de l'énergie par la distance entre les molécules considérées (r), il s'ensuit qu'elles varient en r.10 exp -7
La force de Van der Waals permet également d'expliquer la rotondité de la Terre ou celle d'un liquide dans le vide.

Dans le cas de molécules polaires, cette force s'ajoute à la force purement électrostatique (de même comportement) entre les dipôles permanents. Dans le cas de molécules à symétrie sphérique, d'atomes, etc. la force de van der Waals est la seule qui entre en jeu pour ces distances.

À très longue distance, où il ne peut plus être question de liaison chimique, les forces de van der Waals entrent dans le cadre de l'électrodynamique quantique : à courte et longue distance, elles se décrivent proprement comme dues à l'échange des photons virtuels entre les atomes. On entre alors dans le cadre des forces de Casimir, décroissant en r.10 exp -8

Les liaisons de van der Waals n'entrent pas dans le cadre des liaisons chimiques, en ce sens que les électrons restent sur leurs atomes (ou molécules) respectifs (les termes d'échanges restent négligeables). Elles sont l'origine du terme de pression négative intervenant en correctif dans l'équation du gaz parfait. Elles sont essentielles pour appréhender les forces entre atomes de gaz rare.

Pour les très courtes distances on entre alors dans le domaine de la chimie, où les diverses liaisons (liaison hydrogène, liaison métallique...) deviennent compétitives, et peuvent l'emporter.

Les forces de van der Waals participent ainsi à la physisorption, et entrent en jeu dans le phénomène de capillarité.

Les échanges de photons virtuels, qui sont leur fondement théorique, se retrouvent dans des phénomènes de même type : forces entre deux surfaces (voir les articles Frottement solide et Modélisation des actions de contact).

Source:Wikipédia

Chez les geckonidés ,un certain nombre d'espèces ont la faculté de grimper à des supports verticaux grâce à l'action de ces fameuses forces ajoutées à un niveau microscopique:sous chaque doigt de gecko,il y a des dizaines de lamelles porteuses chacune de minuscules "poils" appelés setae :ce sont les forces de van der Waals cumulées de chaque setae qui permettent au gecko de "coller" à un mur ou à une vitre,en utilisant les moindres micro-aspérités de ceux-cis .A chaque setae correspond une très faible quantité d'énergie ,mais l'addition de toutes les forces de tous les setae d'un même gecko pourraient maintenir en place un gecko 30 ou 40 fois plus pesant que celui-ci!

Est-ce un hasard si nombre de genres de la très vaste famille des Geckonidae (plus de 900 espèces répertoriées à ce jour) est nommé en fonction de la forme de leurs doigts (suffixe -dactylus en grec)?

Parmi les meilleurs grimpeurs ,les membres du genre Gekko :

-Setae de Gekko gecko ,le tokay ,vus au microscope électronique à balayage en lumière polarisée :



-Gekko smithii sur une vitre :



-Détail d'un "pied" de Phelsuma ornata :



-Planches de la Australian Academy of Sciences ,comm. pers. de Sigrid Eklund ,Åarhus Universitet ,Danmark :





Quelques différents genres de geckos à setae avec leurs formes particulières de "pieds" :

Ptyodactylus hasselquisti ("pied en éventail")



Pachydactylus tigrinus ("à pieds épais")



Gymnodactylus geckoides ("à doigts nus")



Hemidactylus prashadi ("à demi-doigts")



Saurodactylus brossetti ("à doigts de lézard")




Cette partie © Hervé Saint Dizier,Janvier 2007 pour les Dragons d'Asgard.

Une application en robotique des obervations faites sur les geckonidés :

http://www.vieartificielle.com/article/index.php?id=0713

Autre application industrielle :un super adhésif inspiré du gecko

http://www.bulletins-electroniques.com/actualites/39013.htm

Le gecko se rencontre la plupart du temps dans les pays tempérés ou chauds et fréquemment dans les milieux arides. Déjà au 4ème siècle avant JC, Aristote avait observé la capacité de certains lézards de la famille des geckos à monter et descendre le long d'un arbre dans tous les sens, y compris avec la tête en bas. En 2002, des scientifiques américains ont démontré que les propriétés d'adhésion de ces lézards s'expliquent par un mécanisme mettant en jeu des forces d'attraction de van der Waals, plutôt que reposant sur une polarité de surface élevée impliquant l'adhésion capillaire. La liaison de van der Waals, appelée également liaison moléculaire, est très faible et se produit entre les moments dipolaires d'atomes ou de molécules. En fait, les doigts des pattes du gecko sont terminés par des millions de poils (appelés sétules ou setae) composés de kératine et dont le diamètre à la base est de quelques dizaines de microns. A leur extrémité, ces poils se scindent eux-mêmes en poils encore plus fins, de quelques centaines de nanomètres de diamètre, qui se terminent par une structure en spatule. Ces spatules se conforment à la surface au niveau moléculaire ce qui a pour effet de maximiser les forces de van der Waals. Les remarquables propriétés d'adhésion du type de gecko étudié par les scientifiques résultent donc de la taille et de la forme des extrémités de ces poils et pas du tout de la chimie de surface.
Déjà en 2003, des scientifiques de l'Université de Manchester, en collaboration avec des chercheurs russes, ont créé un adhésif imitant la patte du gecko (cf. Actualités scientifiques au Royaume-Uni, juin 2003, p. 31). Ils ont pour cela fabriqué des poils en polyimide par lithographie par faisceau d'électrons et attaque dans un plasma d'oxygène. Toutefois, cette méthode de fabrication reste onéreuse et difficile à mettre en oeuvre pour de grandes surfaces. En outre, les scientifiques de Manchester ont noté que les propriétés d'adhésion s'altèrent après plusieurs cycles collage-décollage, probablement du fait de poils cassés ou couchés.

Les chercheurs de BAE Systems ont synthétisé les films à base de polyimide dans leurs salles blanches. Les tiges de polyimide présentent des extrémités évasées ressemblant fortement aux têtes en spatules (ou en " champignon ") des poils des geckos. L'équipe de BAE Systems a utilisé une technique fondée sur la photolithographie qui consiste à graver des motifs en trois dimensions en utilisant la lumière. Selon les scientifiques britanniques, il ne s'agit que d'une modification des méthodes standard de fabrication en électronique. Cette technique est de faible coût et susceptible d'être étendue à de très grandes surfaces. Jusqu'à présent, l'équipe de BAE Systems a synthétisé plusieurs matériaux différents en jouant sur la taille des " champignons " afin d'optimiser les propriétés d'adhésion. Elle a ainsi produit plusieurs échantillons atteignant jusqu'à 100 nm de diamètre et qui collent à presque toutes les surfaces, y compris si elles sont sales. Malgré ses bonnes performances (1 mètre carré devrait suffire à coller un éléphant au plafond !), ce matériau n'égale pas encore les pattes du gecko. En effet, le lézard peut s'attacher et se détacher d'une surface plus de 15 fois par seconde ; la façon dont il contrôle son adhésion reste encore à comprendre et à reproduire.
L'équipe britannique va maintenant s'attacher à mieux comprendre l'influence de l'eau et de la rugosité de la surface sur les propriétés d'adhésion de son matériau, afin de s'assurer qu'il puisse être utilisé pour une large gamme de rugosité. Un certain nombre d'applications est déjà identifié allant des pièces de réparation pour des structures percées (par exemple des réservoirs de carburant ou des revêtements d'avions), aux panneaux d'accès sans attache ou même à la fixation rapide de panneaux de blindage.
Dans le même temps, des chercheurs américains, notamment de l'Université de Berkeley et appartenant à l'équipe ayant expliqué le mécanisme d'adhésion, ont synthétisé un nouveau réseau de microfibres de polypropylène présentant une friction élevée mais pas d'adhésion. Leurs résultats ont été publiés dans le numéro du 19 août du journal Physical Review Letters.

Sources :

- BAE Systems, 17/07/06, http://www.baesystems.com/fias2006/news/news197.htm
- BBC News, 26/07/06, news.bbc.co.uk
- Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae, http://redirectix.bulletins-electroniques.com/G911s
- Eurekalert, 22/08/06, http://www.eurekalert.org/pub_releases/2006-08/uoc-ecg082206.php
- High Friction from a Stiff Polymer using Micro-Fiber Arrays, Physical Review Letters, 18/08/2006. vol. 97, no. 076103
-Proceedings of the National Academy of Sciences, USA: Autumn, K., Sitti, M., Peattie, A., Hansen, W., Sponberg, S., Liang, Y. A., Kenny, T., Fearing, R., Israelachvili, J. and Full, R. J. (2002). Evidence for van der Waals adhesion in gecko setae. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 12252-12256).


rédacteur :
Dr Anne Prost

origine :
Cette information est un extrait du BE Royaume-Uni numéro 69 du 8/09/2006 rédigé par l'Ambassade de France au Royaume-Uni. Les Bulletins Electroniques (BE) sont un service ADIT et sont accessibles gratuitement sur www.bulletins-electroniques.com

ca c est de l exposé mr thorr

Vraiment interessant. Superbe travail comme d'hab.

Si ça intéresse du monde,je peux mettre la liste de la signification des noms de la plupart des espèces de geckonidés dont le nom finit par -dactylus?

Le top ça serait la signification accompagnée de la caractéristique des doigts : forme des doigts, présence/absence de griffe, forme des lamelles, disposition des setae... (si certains noms sont assez explicites d'autres le sont un peu moins...) comme ça on pourra déterminer à qui appartiennent tous ces petits petons ^^

http://www.lclark.edu/~autumn/PNAS/PNAS_images/GeckoFeet_300.jpg

(j'ai déjà une petite idée des genre: milieu haut : Gekko , milieu bas : Ptychozoon, en haut à droite : Phyllodactylus ou Ptyodactylus, en bas à droite : Coleonyx , Eublepharis ou autre eublepharinae, en haut à gauche Hemidactylus ? )


Mais j'en demande peut être un peu trop ?

Ca peut peut-être se faire,il faut que j'interroge les oracles du Grand Nord ,mais avec l'accumulation d'infos sur mon PC que je n'ai toujours pas mis en forme,là je sature pour le moment.Fais-moi repenser à ça dans quelque temps,Pouf