Epiaire laineux - Innovation technologique

Séquence 2 : Innovation technologique

 

Objectifs 

Utiliser les notions acquises en SVT pour imaginer et tester des solutions à une problématique technologique (élaborer une surface hydrophobe pour un récupérateur de rosée).

Ce que font les élèves 

Les élèves exploitent les connaissances acquises en biologie pour imaginer une solution technologique. Ils établissent les contraintes liées à leur problématique et recherchent des solutions puis élaborent des prototypes.

Liens avec les notions disciplinaires 

Techno : Identifier un besoin et énoncer un problème technique (besoin, contraintes…).

Compétences, attitudes travaillées 

Techno : Identifier un besoin et énoncer un problème technique, identifier les conditions, contraintes et ressources correspondantes… Appréhender la démarche d’innovation technologique bio-inspirée.

Productions 

Prototypes et éventuellement condenseur.

Matériel 

- mélange à bougies (paraffine et stéarine) en poudre (s’achète dans les magasins de loisirs créatifs);

- bougies;

- allumettes ou briquets;

- lames de verre de microscope;

- microbilles de verre (s’achète dans les magasins de loisirs créatifs);

- matériel pour protéger les tables pendant la manipulation;

- pipettes;

- eau;

- petites cuillères métalliques;

- appareil photo.

Durée 

3 à 4 séances

 

 

Activité 1. Fabrication d’un prototype

Réinvestissement des enseignements tirés de la SVT (réalisation du prototype : 30 min, réalisation du poster : 15 min, mise en commun : 20 min- variable selon le nombre de groupes)

L’enseignant évoque l’activité préparatoire et la contrainte qui s’exerce sur les ingénieurs désirant fabriquer un condenseur : celui-ci doit avoir une surface hydrophobe pour faire en sorte que chaque goutte d’eau qui se forme à sa surface soit collectée. Il faut donc s’inspirer du monde vivant (scarabée, canard, épiaire…) pour rechercher une solution.

Il invite les élèves à reprendre les notes qu’ils ont pris en SVT. Ils ont appris :

  • A mesurer l’hydrophobicité d’un matériau : angle et course de gouttes (ou autre protocole valable proposé par les élèves);
  • Que le pouvoir hydrophobe d’un matériau repose sur deux types de caractéristiques : sa composition chimique et sa structure (la présence d’aspérités (poils) et leur densité).

L’enseignant peut préciser que c’est une façon de fonctionner du monde scientifique et technique : une entreprise est confrontée à un problème technique. Si la solution n’existe pas encore, elle va solliciter les scientifiques pour qu’ils utilisent leurs connaissances afin d’imaginer un moyen de résoudre le problème. C’est une démarche d’innovation technologique.

Aux élèves maintenant d’utiliser les connaissances et les savoir-faire acquis pour essayer de fabriquer leur matériau hydrophobe, comme dans une démarche d’innovation technologique d’un département de recherche d’une entreprise.

 

L’enseignant présente aux élèves le matériel qu’ils auront à leur disposition (voir Fiche Activités Séquence 2).

A l’issue de leurs manipulations, les élèves doivent avoir :

  • Imaginé un moyen de rendre la surface hydrophobe, en fonction de ce qu’ils ont appris en SVT. A noter que pour cela, ils doivent faire un choix judicieux entre la poudre de paraffine et les microbilles de verre pour obtenir l’effet de structure. Ils doivent choisir l’élément qui cumule l’avantage de la microstructure et de la composition chimique, c'est-à-dire la paraffine. Le verre étant hydrophile, son utilisation, même sous forme de microbilles, ne permet pas d’obtenir une surface hydrophobe.
  • Fabriqué cette surface.
  • Mesuré son hydrophobicité (ses performances) – plusieurs essais possibles s’ils ne sont pas satisfaits du résultat, possibilité de faire plusieurs prototypes pour les comparer (on distribue 4 lames par groupe).
  • Fait un poster scientifique pour présenter à la classe la solution retenue : problématique, solution proposée, protocole de fabrication, protocole de mesure de performance, conclusions (ce qui a fonctionné, pas fonctionné, et pourquoi à leur avis).

 

Note pédagogique

Nous vous recommandons de tester les expériences avant la séance afin d’anticiper les résultats obtenus par les élèves.

 

 

Activité 2 – Concours de prototypes

Mettre au point un protocole de comparaison objective (15 min)

Les élèves établissent un protocole pour comparer de manière objective les protocoles qu’ils ont élaborés dans l’activité précédente.

Exemple de protocoles que peuvent proposer les élèves : on met les plaques inclinées d’un même angle (30°) et on verse à l’aide d’une pipette 3 gouttes d’eau sur chacune. La surface qui retient le moins les gouttes l’emporte. Les élèves peuvent aussi proposer d’autres protocoles. Si égalité, on cherche un moyen de départager les restants (course de goutte par ex).

 

 

Activité 3 : Amélioration des prototypes

A partir des caractéristiques des prototypes vainqueurs, affiner les paramètres qui rendent une surface hydrophobe (15 min)

En groupe classe, l’enseignant invite les élèves à identifier les caractéristiques des surfaces les plus efficaces. La comparaison des différents prototypes les amène à conclure que l’effet hydrophobe est augmenté par la présence d’une microstructure, comme on l’a vu en SVT pour les poils de l’épiaire.

L’enseignant pourra également souligner l’analogie entre la composition chimique hydrophobe de la paraffine et la cuticule de certains végétaux. Ici, les deux effets (physique et chimique) concourent à expliquer le caractère super-hydrophobe de notre structure.

L’enseignant pourra alors, s’il le souhaite, expliquer que pour obtenir un effet super hydrophobe, ces deux éléments doivent être présents : avec les microbilles de verre, on a bien une microstructure mais avec un matériau hydrophile : le résultat est hydrophile lui aussi. La présence d’une structure a pour effet d’augmenter la surface en contact avec la goutte d’eau, elle ne suffit pas à créer l’effet d’hydrophobie.

Vers la fin de la séance, l’enseignant adresse une dernière question à la classe : a-t-on réussi à faire aussi bien que l’épiaire laineux ? Si non, qu’est-ce qu’il nous manquerait ?

Les élèves comparent les mesures qu’ils ont obtenues avec le prototype gagnant et l’épiaire. Si l’hydrophobie obtenue est moins efficace avec le prototype, ils proposent des pistes d’amélioration.

 

Exemples de productions

Verre nu. La surface est hydrophile. Angle : environ 35°

 

Billes de verre encollées dans de la paraffine fondue. On a bien la structure mais pas la bonne composition chimique : la surface est hydrophile. Angle : environ 40°. Quand on fait couler plusieurs gouttes d’eau sur la surface et qu’on penche la lame, l’eau se stocke entre les billes et ne s’écoule pas entièrement.

Paraffine fondue lisse. On a l’effet de la composition chimique : la surface est hydrophobe. Angle : environ 95°

Paraffine fondue saupoudrée de billes de paraffine. On cumule l’effet de la composition chimique et l’effet de structure : surface est hyper hydrophobe. Angle : environ 120°

Photos obtenues avec des gouttes sur différentes surfaces. Pour donner une échelle, les gouttes mesurent environ 5 mm de diamètre.

 

Paraffine fondue saupoudrée de billes de paraffine

Epiaire laineux. Angle : environ 120°

 

 

Conclusion générale : qu’a-t-on appris sur la démarche scientifique et technologique ?

En conclusion, l’enseignant fait la synthèse  de la démarche qu’ont eue les élèves : pour relever un défi technologique, ils ont réinvesti des connaissances qu’ils avaient acquises en biologie. Quand on procède ainsi et qu’on arrive à la création de quelque chose de complètement nouveau, on parle d’innovation de rupture, contrairement à l’amélioration d’une technique existante, où on parlera d’innovation de continuité.

 

 

Evaluation (en devoir à la maison)

A l’issue des séances, les élèves peuvent réaliser l’activité d’évaluation suivante :

Mission : Vous êtes un ingénieur chargé de modifier la forme de votre locomotive pour qu’elle subisse de façon moindre la résistance au vent. Vous décidez de vous s’inspirer d’êtres vivants pour modifier votre design. Proposez un schéma de votre maquette et justifiez vos choix !

    

 

 

A l'issue de l'exercice, l'enseignant peut proposer une solution à ce problème réalisée par des japonais (15% d’électricité économisée) !

 

 

Ressource

- Fiche Activités Séquence 2                                                             

 

 

 

Partenaires du projet

Fondation La main à la pâte