Le matériau connu le plus résistant de la nature inspire une alternative verte au Kevlar

May 14, 2023

La nature est capable de produire des matériaux d'une résistance incroyable, la soie d'araignée étant l'un des exemples les plus célèbres. En 2015, un groupe de scientifiques a fait une découverte révolutionnaire dans ce domaine, démontrant que les dents de mollusques collants appelés patelles ont en fait la plus forte résistance à la traction de tous les matériaux biologiques. En s'inspirant de ces crocs silex, l'équipe a produit un biomatériau composite d'une résistance extrême, qui pourrait constituer une alternative plus durable aux matériaux performants comme le Kevlar.

Les patelles sont des escargots aquatiques avec des coquilles en forme de chapeau qui s'accrochent extrêmement bien aux rochers le long des rives. Une partie de ce mode de vie côtier consiste à se gratter les dents sur les surfaces accidentées pour collecter des algues pour se nourrir, et c'est là que résident les secrets de la résistance à la traction inégalée des créatures.

En 2015, des chercheurs de l'Université de Portsmouth ont utilisé la microscopie à force atomique pour étudier le matériau dentaire de la patelle et l'analyser au niveau atomique. Les travaux ont révélé que les dents de patelle ont une résistance à la traction de 3 à 6,5 gigapascals (GPa). Pour le contexte, la soie de dragline araignée a une résistance à la traction d'environ 1,3 GPa, tandis que l'acier se situe à environ 1,65 GPa. Les scientifiques pensent que la raison de l'incroyable résistance à la traction de la dent de patelle est un réseau dense de fibres de chitine avec de fins cristaux de géothite contenant du fer répartis partout.

L'équipe a maintenant créé un système qui permet de former des structures similaires en laboratoire qui commence par du verre enduit de sérum et de la chitine et de l'oxyde de fer déposés sur le dessus. En deux semaines, ceux-ci s'auto-organisent en l'organe responsable de la formation des dents de patelle, appelé radula. En utilisant une combinaison de cellules de radula isolées, d'échantillons de tissus, de chitine minéralisée et d'une technique appelée électrofilage, les scientifiques ont ensuite pu faire pousser des rubans de dents de patelle biomimétiques d'un demi-centimètre (0,2 po) de large.

"J'ai passé six mois à mettre en place ce processus", a déclaré le Dr Robin Rumney, auteur principal de la recherche. "J'ai traversé toutes sortes de permutations auxquelles je pouvais penser pour ce dont les cellules pourraient avoir besoin et comment elles se développeraient. C'est très différent de la croissance de bactéries ou de cellules cancéreuses qui se développent généralement dans un environnement de laboratoire, nous avons donc dû travailler à partir de zéro ce qui marcherait."

Le nouveau biomatériau composite à résistance extrême pourrait venir occuper une place importante dans le domaine des matériaux synthétiques. Si l'équipe réussit à étendre le processus, elle pourrait offrir une alternative plus durable aux matériaux comme le Kevlar et le plastique, qui consomment beaucoup de ressources à produire et ne sont pas si facilement recyclés.

"Les composites entièrement synthétiques comme le Kevlar sont largement utilisés, mais les procédés de fabrication peuvent être toxiques, les matériaux difficiles et coûteux à recycler", a expliqué Rumney. "Ici, nous avons un matériau qui est potentiellement beaucoup plus durable en termes de source et de fabrication, et à la fin de sa vie peut être biodégradé."

Les chercheurs se tournent maintenant vers l'optimisation du processus et l'étendent pour produire les dents de patelle synthétiques à l'échelle nécessaire à la fabrication de masse.

"Notre prochaine étape consiste à trouver d'autres moyens d'obtenir la formation de fer, nous étudions donc les sécrétions des cellules de la patelle pour mieux comprendre cela", a déclaré Rumney. "Si cela fonctionne vraiment bien, nous avons déjà les lectures de gènes de l'organe afin que nous puissions extraire les gènes d'intérêt et, espérons-le, les mettre dans des bactéries ou des levures pour les développer à grande échelle. De toute évidence, nous avons une crise du plastique dans les océans en ce moment, et je pense que c'est une belle symétrie que nous puissions apprendre d'une créature marine comment mieux les protéger en remplaçant l'utilisation du plastique par un substitut biologique."

La recherche a été publiée dans la revue Nature Communications.

Source : Université de Portsmouth