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Le gecko (du malais Gekoq) est une espèce de lézard datant de 50 à 60 millions d’années qui s'est très bien adapté à tous les environnements (déserts, forêts, jungles, zones équatoriales...). En effet, son métabolisme lui permet d'adapter sa température corporelle aux conditions extérieures : les geckos sont donc dits poïkilothermes. C'est un reptile très bruyant, principalement nocturne et arboricole. Il est carnivore et se nourrit essentiellement de petits mammifères et d'insectes. Les geckos étant ovipares, ils pondent des œufs aux pieds des arbres. En moyenne, on estime son espérance de vie de treize à quinze ans. La taille des geckos dépend des espèces et varie entre 5 et 30 cm à l'âge adulte. Son poids varie entre 30 et 200 grammes.

Certains geckos (comme le Gecko Tokay) ont la particularité de pouvoir marcher sur d'innombrables surfaces, qu'elles soient horizontales ou verticales.

Historique des hypothèses modifier

Au cours des 175 dernières années, plusieurs hypothèses expliquant le mécanisme d'adhésivité de geckos ont été avancées :

La première était que les geckos produisaient un liquide collant leur permettant de marcher sur les murs. Mais ceux-ci ne possédant pas de tissus glandulaires, ils ne pouvaient pas produire ce liquide et l'hypothèse a donc été rejetée.

L’hypothèse du frottement a également été repoussée, car, par définition, le frottement n’agit que parallèlement au support ; par conséquent, elle ne peut pas expliquer la capacité des geckos à se tenir au plafond, où la pesanteur est perpendiculaire au support.

L’hypothèse selon laquelle les doigts agissent comme des ventouses a été écartée en 1934, quand l’Allemand Wolf-Dietrich Dellit publia ses résultats : dans le vide, les doigts des geckos restaient collés, mettant définitivement à mal un mécanisme de succion.

Anatomie des pattes du gecko modifier

Chaque gecko possède 4 pattes composées chacune de 5 doigts. Le dessous des doigts est parcouru de nombreuses lamelles qui sont couvertes de filaments denses et souples nommés sétules (ou setae). Elles mesurent environ 110 micromètres de longueur et 4,2 micromètres de largeur^[1].

On en trouve 500 000 sur un doigt (soit 5 000 par mm²). Elles sont disposées en une sorte de quadrillage. Les extrémités des sétules sont constituées de fibrilles de kératine (c’est par ailleurs la protéine qui compose à 97% les cheveux), elles-mêmes dotées de nombreuses terminaisons nommées spatules, dont les pointes sont aplaties. L’extrémité mesure environ 0,2 micromètre de longueur et autant de largeur. Le grand nombre de sétules et leur disposition particulière font qu'une fois la patte du gecko posée, les sétules occupent la quasi totalité de la surface (ce qui fait que les forces de Van der Waals qui vont se créer seront plus importante).

Informations supplémentaires :

Les 6,5 millions de sétules d’un gecko tokay supporteraient le poids de deux personnes.
Les geckos n’utilisent que trois pour cent de leurs sétules par patte lors d'un pas, mais il n’en aurait besoin que de 0,04 pour cent (à leur maximum d’adhérence) pour soutenir leur masse.
Un adulte de 100g peut tenir au mur avec un seul doigt sans déraper.
Un gecko de 50g peut porter jusqu’à 40 fois son poids. A titre de comparaison, c’est comme si un homme de 80 kilos portait 3,2 tonnes.
Certains geckos sont équipés de sétules sur la queue.

Forces de Van der Waals modifier

Dans le cas général, les forces de Van der Waals correspondent à des interactions électrostatiques d‘intensité faible, ayant lieu à courtes distances entre les molécules de la paroi du milieu escaladé, et celles des sétules du gecko. Ces forces portent le nom du physicien néerlandais Johannes Diderik Van der Waals (1837-1923), prix Nobel de physique en 1910, qui a réalisé les recherches sur ces forces.

L’équation de cette force se compose en réalité d’une addition de trois forces, celles de Keesom, de Debye et de London. Le point commun de ces trois forces est que leur énergie est proportionnelle à -1/r⁶ comme celle de Van der Waals. Cela revient à dire que ces forces sont proportionnelles à 1/r⁷, et par conséquent, elles correspondent à des interactions à courtes distances. Étant donné que l’on ne peut pas diviser par zéro, on en déduit que les interactions se font entre les noyaux d'une molécule et le nuage électronique de l’autre molécule, et non des extrémités pattes/mur, qui reviendrait à avoir une distance égale à zéro.

Van der Waals et son équation modifier

Johannes Diderik Van der Waals (1837-1923) est un physicien néerlandais. Il devient instituteur à 20 ans et commence à enseigner dans un petit collège à 25 ans. En parallèle, il suit des cours à l’université de Leyde. C'est sur la recommandation d'un professeur qu'il a pu obtenir d'abord un poste d'auxiliaire de façon à se libérer de l'enseignement primaire. L'étudiant tardif et persévérant obtient ses certificats d’enseignement dans les mathématiques et la physique. Il peut alors enseigner en 1866 la physique à Deventer et à La Haye, au Pays-Bas. Désormais, l'étudiant en physique ne peut plus rien obtenir de l'université et se consacre bénévolement à la recherche. En 1873, il fait sa première thèse dont le sujet est le passage d’un état liquide à un état gazeux.

L’équation tient compte des forces intermoléculaires, aussi appelées Force de Van der Waals (équation qui sera mieux déterminée par Fritz London en 1930). C’est en 1875 qu’il acquiert une certaine notoriété et devient président de l’académie royale néerlandaise des arts et des sciences, et est nommé premier professeur de l’université d’Amsterdam. Il y restera jusqu’à sa retraite en 1907. Trois ans plus tard, il obtient le prix Nobel de physique grâce à ses travaux sur l’équation d’état d’agrégation et met un terme à sa carrière. Il contribue tout de même à l’étude de la capillarité après celle-ci. Il meurt à 85 ans d'une longue vie de travail scientifique.

E_{\text{van der Waals}}=-{\frac {1}{r^{6}}}\left[\underbrace {\frac {\mu _{1}^{2}\cdot \mu _{2}^{2}}{3(4\pi \cdot \epsilon _{0}\cdot \epsilon )^{2}\cdot k_{B}\cdot T}} _{E_{\text{Keesom}}}+\underbrace {\frac {\mu _{1}^{2}\cdot \alpha _{2}+\mu _{2}^{2}\cdot \alpha _{1}}{(4\pi \cdot \epsilon _{0}\cdot \epsilon )^{2}}} _{E_{\text{Debye}}}+\underbrace {{\frac {3}{4}}\cdot {\frac {h\cdot v\cdot \alpha _{1}\cdot \alpha _{2}}{(4\cdot \pi \cdot \epsilon _{0})^{2}}}} _{E_{\text{London}}}\right]

$\epsilon$ ₀ est la constante diélectrique du vide de valeur 8.85418782 × 10^-12 F.m^-1 ;

$h$ est la constante de Planck de valeur 6.62206957 × 10^-34 J/s ;

$k_{B}$ est la constante de Boltzmann de valeur 1.3806488 × 10^-23 J.K^-1 ;

$\mathrm {T}$ est la température absolue, ici 290.15°C soit 17°K ;

$r$ est la distance moyenne entre les molécules considérées que l’on fera varier ;

$\mu$ sont les moments dipolaires des molécules considérées ;

$\nu$ est la fréquence électronique d'absorption (Hz) ;

$\alpha$ sont les polarisabilités électroniques des molécules considérées ;

$\epsilon$ est la permittivité relative de la matière considérée.

Forces de Keesom modifier

Interaction entre dipôles permanents

Willem Hendrik Keesom est un physicien néerlandais né en 1876 et mort en 1956. Il est titulaire d'un doctorat de l'Université d'Amsterdam en 1904. Il réussit à solidifier l'hélium et signale l'existence de deux variétés d'hélium liquide, dont l'une est superfluide. Van der Waals est son directeur de thèse. Il met en évidence des forces nommées Forces de Keesom.

Ces forces correspondent à des interactions électrostatiques entre dipôles permanents (entité qui possède deux pôles chargés différemment, l’un positivement, l’autre négativement) donc seulement entre molécules polaires (à l’intérieur de laquelle les charges électriques ne sont pas réparties de manière homogène). Les pôles de charges contraires des molécules s'orientent de manière de manière à s'attirer. Le gecko peut donc coller au mur.

E_{\text{Keesom}}=-{\frac {1}{r^{6}}}\left[{\frac {\mu _{1}^{2}\cdot \mu _{2}^{2}}{3(4\pi \cdot \epsilon _{0}\cdot \epsilon )^{2}\cdot k_{B}\cdot T}}\right]

L’énergie de Keesom dépend de ces interactions mais également de la température. Ces interactions sont assez faibles et possèdent une énergie assez basse allant de 0,5 à 3 kJ/mol.

Forces de Debye modifier

Interaction entre dipôle permanent et dipôle instantané (induit)

Peter Debye (1884-1966) contribue pour la première fois à la physique avec l’application du concept de moment dipolaire à la distribution de charges électriques dans des molécules asymétriques, pour lesquelles il développe des équations liant les moments dipolaires à la température. Les moments dipolaires de molécules sont mesurés en Debye, en son honneur. C’est grâce à cette recherche qu’il obtient le prix Nobel de Physique en 1936.

E_{\text{Debye}}=-{\frac {1}{r^{6}}}\left[{\frac {\mu _{1}^{2}\cdot \alpha _{2}+\mu _{2}^{2}\cdot \alpha _{1}}{(4\pi \cdot \epsilon _{0}\cdot \epsilon )^{2}}}\right]

Ces forces correspondent à des interactions électrostatiques entre une molécule polaire et une molécule apolaire. Le dipôle permanent (molécule polaire) induit la molécule apolaire c'est-à-dire qu'elle modifie la structure de la molécule en la transformant en dipôle instantané (charge négative d’un côté et positive de l’autre). La molécule devient donc polaire et permet aux molécules d'orienter leur pôles de charges contraires pour permettre leur attraction et donc l'adhésion du gecko entre sa patte et le mur.

Plus le dipôle permanent est grand et la polarisabilité aussi, plus la force sera grande mais d'une énergie assez basse allant de 0,02 à 0,5 kJ/mol.

Forces de London modifier

Interaction entre dipôles instantanés (induits)

Fritz London (1900-1954) est le premier à publier une description sur les liaisons covalentes. Il décrit aussi les forces intermoléculaires en proposant « l’effet de dispersion » aujourd’hui appelé « Forces de London ». En 1953 il reçoit la médaille Lorentz de la Société néerlandaise royale des arts et des sciences.

Ces forces correspondent à des interactions, toujours électrostatiques, entres 2 molécules apolaires souvent très polarisables.

E_{\text{London}}=-{\frac {1}{r^{6}}}\left[{\frac {3}{4}}\cdot {\frac {h\cdot v\cdot \alpha _{1}\cdot \alpha _{2}}{(4\cdot \pi \cdot \epsilon _{0})^{2}}}\right]

Pendant un instant, une molécule va créer un dipôle instantané du fait d’une légère répartition inhomogène de son nuage électronique qui fait que les charges positives et négatives se répartissent dans deux pôles différents de cette molécule. Ce dipôle instantané va alors induire ses autres molécules voisines, qui deviennent elles aussi des dipôles instantanés. L'attraction des pôles de charges contraires est donc possible et le gecko peut alors adhérer au mur.

Comme les deux autres forces précédemment citées, son énergie est faible mais plus importante, allant de 0.5 à 30 kJ/mol.

Conclusion modifier

Par conséquent, le gecko adhère aux murs grâce aux forces de Van der Waals. Les sétules de leurs pattes leur permettent d’aller « coller » à une surface grâce à ces forces car elles approchent la surface à une échelle nanométrique, condition nécessaire pour que les forces de Van der Waals puissent agir entre les sétules du gecko et la surface sur laquelle il adhère.

Application numérique des forces de Van der Waals modifier

Suite à notre échec de recherche de toutes les constantes de l’équation de Van der Waals, nous décidons de toutes les simplifier et de prendre le chiffre 1 pour représenter l'addition entre les forces de Keesom, Debye et London.

Notre but est de démontrer que plus la distance entre la patte du gecko et la surface sur laquelle il adhère est grande, plus l’énergie et la force sont minimales.

L'énergie de ces forces varie donc, dans notre cas, en fonction de -1/r⁶ et l'unité est le kJ/mol.

On note que cette distance est comprise entre 0.3 nm et 0.8 nm car au delà de 0.8 nm,ces forces sont considérées comme négligeables et avant 0.3 nm, des interactions répulsives entre molécules de même signe apparaissent, ce qui fausse les résultats du calcul. On a alors :

Graphique des énergies de Van der Waals

On remarque que l’énergie diminue avec l’augmentation de la distance.

Pour démontrer que cette fonction est bien croissante, on la dérive.

Toutes les tangentes ont un coefficient directeur positif. Donc on a bien prouvé que plus la distance est grande, plus l'énergie est faible.

Sachant que l’énergie de Van der Waals varient en fonction de -1/r⁶, les forces varient donc en fonction de 1/r⁷.

On note que cette distance est également comprise entre 0.3 nm et 0.8 nm.

On obtient alors :

Graphique des forces de Van der Waals

On en déduit donc que plus la distance diminue, plus les forces sont grandes.

Les forces de cisaillement modifier

Les forces de Van der Waals sont les forces qui permettent l’attirance des pattes du gecko. Pour que ceux-ci puissent marcher, ce sont les forces de cisaillement qui interviennent grâce aux millions de sétules qui épousent parfaitement la forme de la surface escaladée.

Ces forces correspondent au glissement effectué par la patte vers le bas pour pouvoir s’accrocher puis au décrochage de la patte du gecko. En appuyant légèrement (en la posant) la sétule sur la surface, la force de cisaillement est d’environ 40 micronewtons. Cette force est d’environ six fois la force estimée par les mesures globales sur l’animal. Cette force atteint 200 micronewtons lorsque sa patte descend de cinq micromètres. Quand l’angle mur/sétule est supérieur à 30 degrés, la sétule se détache car les forces de Van der Waals n’agissent plus. Le gecko peut ainsi marcher facilement de partout mais également rester sur place.

Expériences modifier

La première expérience consiste à vérifier ce que l'on vient d'expliquer. En effet, nous allons voir que c'est bien grâce aux sétules et aux deux types de forces que le gecko peut se déplacer aisément sur les murs. Pour cela nous disposons donc d'un Rhacodactylus, un gecko qui dispose du même dispositif d'adhésion que le gecko Tokay et également d'un gecko léopard qui lui, au contraire, ne dispose que de griffes aux extrémités des pattes.

On incite, avec des appâts, ces deux geckos à monter sur une surface lisse verticale : le plastique des parois d'une boîte. Nos résultats sont les suivants : le Rhacodactylus n'a aucune difficulté à sortir de la boîte tandis que le gecko léopard n'y arrive pas du tout. Ces observations montrent que ce sont les sétules qui permettent l'adhésion du gecko sur les surfaces lisses verticales et horizontales.

La deuxième expérience cherche à savoir si l'adhérence de ces geckos (toujours le Rhacodactylus) dépend de son âge et du type de surface escaladée. On incite, avec de la nourriture, un jeune gecko à grimper sur une surface lisse verticale. On remarque qu'il y parvient, mais avec une certaine difficulté d'adaptation à la surface et les mouvements de ses pattes ne permettent pas une adhérence totale.

Dans un deuxième temps, on humidifie cette surface et on effectue la même opération avec les deux geckos; l'adulte et le jeune. On constate que le gecko adulte n'a toujours aucune difficulté et que le jeune gecko a les mêmes difficultés constatées auparavant. On en conclut que les jeunes geckos ont un temps d'adaptation plus long pour l'adhérence et que celle-ci n'est pas due au type de surface escaladée.

L'hydrophobie et le téflon modifier

D'après des recherches récentes, les scientifiques ont découvert que le gecko se déplace plus facilement sur des surfaces hydrophobes comme par exemple la feuille d'une plante (qui est recouverte d'une très fine couche de cire) que sur les surfaces hydrophiles, comme par exemple le verre (car même si cela n’est pas visible à l’œil nu, il reste toujours une fine couche d'eau invisible).

Les pattes des geckos sont qualifiées de "super-hydrophobes", notamment grâce à la bêta-kératine qui les compose mais aussi grâce à d'autres molécules, comme des lipides (graisses). Une fois posées sur une surface hydrophobe, elles peuvent créer très facilement des interactions de Van der Waals. Sur une surface hydrophile, ces forces seront également établies mais elles seront beaucoup moins intenses. De plus si cette surface hydrophile est mouillée, l'adhésivité sera très mauvaise. Cela s'explique par le fait que les interactions de Van der Waals sont plus intenses lorsqu'il n'y a pas d'eau entre la patte et la surface.

Des expériences ont alors été réalisées après ces découvertes car toutes les recherches précédentes se sont intéressées à l'adhésivité des geckos sur un milieu sec. Les chercheurs en ont conclu que la plupart des geckos vivent en milieu tropical, donc très humide avec des supports très souvent mouillés. Ils ont donc étudié l'adhésivité des pattes de gecko dans l'eau sur différents supports.

Les résultats obtenus sont les suivants :

Sur le verre : ils ont remarqué que l'adhésion est bien plus mauvaise avec du verre dans l'eau que du verre sec. Cela est dû au fait que le verre est hydrophile, il y a encore plus d'eau qui va venir gêner les interactions de Van der Waals.

Sur du verre recouvert d'une couche hydrophobe : les résultats sont identiques hors et dans l'eau. Le gecko peut donc se promener sur une surface dans l'air ou dans l'eau du moment qu'elle est hydrophobe. Il pourra alors se déplacer sur une feuille d'arbre quelques soient les conditions climatiques. Les scientifiques ne sont pas tout à fait sûrs du fonctionnement de ce mécanisme, mais à priori, si la surface est mouillée, le gecko va réussir à expulser l'eau entre sa patte et le support hydrophobe (la patte et le support sont tous deux hydrophobes, donc s'ils sont pressés l'un contre l'autre, l'eau s'échappe et la surface devient sèche entre les deux).

Sur le Téflon : Lorsque le Téflon est sec, il est presque impossible pour le gecko de marcher dessus (il glisse). Ils ont ensuite essayé dans l'eau et à leur surprise, le gecko pouvait marcher. Les scientifiques ne connaissent pas vraiment les raisons de ce mécanisme mais il semblerait que ce soit dû à la rugosité du téflon. D’autres études sont en cours pour comprendre ce mécanisme.

La bonne adhésivité du gecko sur des surfaces humides est très prometteuse pour les biotechnologies, car il sera probablement possible, dans peu de temps, de fabriquer des adhésifs qui fonctionnent également sous l'eau, ce qui pourrait se montrer très pratique. Par exemple dans le milieu marin, si la coque d’un bateau se fend en mer, cet adhésif permettra de réparer la brèche en très peu de temps. Il pourrait également avoir des avantages dans l'espace ou dans des conditions extrêmes car, de nos jours, seul des adhésifs liquides sont utilisés. Le problème de ces adhésifs est qu’en cas de variations de températures, ils risquent de fondre s'il fait chaud et de durcir donc moins coller s'il fait froid.

Cependant, ces explications sont relativement récentes et sont susceptibles d'évoluer.

Application du dispositif d'adhésion du gecko à l'échelle humaine modifier

Des chercheurs de l'Université de Stanford se sont posés la question de savoir si le mécanisme permettant aux geckos de marcher sur les murs ne pourrait pas être recréé pour servir à l’Homme. Ils ont inventé une sorte d’adhésif, de la taille d’une main, permettant d’escalader avec aisance, des surfaces lisses et verticales. La technologie est directement inspirée des pattes du gecko qui peut marcher sur les murs. Cette caractéristique a longtemps été étudiée par les chercheurs et ingénieurs en mécanique afin d’en comprendre les principes. Pour recréer un adhésif similaire aux pattes des geckos, les chercheurs se sont basés sur le même principe. Ils ont ainsi fabriqué leurs propres poils microscopiques en silicones appelés "microwedges", capables de générer des forces de Van der Waals et assurer une adhérence aux surfaces lisses. L’adhésif a été testé sur un homme adulte d'environ 70 kg. Lors de séances d’essais, le volontaire a dû escalader des parois aussi lisses que du verre en s'aidant uniquement de ses mains équipées des fameux adhésifs. Les résultats de cette expérience, indique que le dispositif répond entièrement aux exigences des ingénieurs. Cette technologie devrait surtout servir aux astronautes lors de leurs déplacements en conditions d’apesanteur. Les études de cinématique montrent que les geckos attachent et détachent leurs doigts en quelques millisecondes, une performance qu’aucun adhésif classique ne peut égaler. En outre, à l’inverse des autres adhésifs, les doigts des geckos ne se dégradent pas et ne se salissent pas.

Conclusion modifier

Pour conclure, nous pouvons dire que les geckos Tokay peuvent marcher sur des surfaces verticales et horizontales grâce à l'anatomie particulière de leurs pattes. En effet, les millions de sétules permettent de générer des forces telles que les interactions moléculaires de Van der Waals puis les forces de cisaillement. L'étude de ce mécanisme est un très bon sujet de recherche pour l'avenir car il permettra sans doute de créer des adhésifs utiles à la vie quotidienne de l'Homme. Pour aller plus loin, ces adhésifs serviront peut être pour défier les lois de la gravité chez l'humain comme le fait le gecko.

Sources modifier

↑ « L'inusable adhésif des pattes du gecko », sur csnsm.fr, 2006 (consulté le Date invalide ({{subst:aujourd'hui}}))

[:0-1] « L'inusable adhésif des pattes du gecko », sur csnsm.fr, 2006 (consulté le Date invalide ({{subst:aujourd'hui}}))

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